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Quatro coisas que você pode não saber sobre antimatéria

Diana Kwon - Symmetry Magazine - 02/09/2022

A antimatéria está ao seu redor, é parte de você, e os cientistas ainda estão tentando desvendá-la.
[Imagem: Kimberly Boustead/Sandbox Studio]

Fatos curiosos sobre a antimatéria

A antimatéria é o oposto da matéria a que estamos acostumados; ela é misteriosamente evasiva; e quando se aproxima demais da matéria comum, as duas se aniquilam ao entrar em contato.

Nós já publicamos um Especial sobre a Antimatéria, com dez coisas que você precisa saber sobre ela, e também já explicamos o que é a aniquilação da antimatéria.

Mas há ainda mais coisas extraordinárias, dentre as quais selecionamos quatro.

Todos os átomos contêm antimatéria

As primeiras três partículas subatômicas sobre as quais você aprendeu foram provavelmente o próton, o nêutron e o elétron. Essas partículas compõem os átomos que formam nossos corpos e o mundo ao nosso redor.

Nesse grupo, apenas o elétron é elementar, o que significa que ele não é formado por nenhum componente menor. Prótons e nêutrons, por outro lado, são compostos de partículas elementares, chamadas quarks e glúons.

Prótons e nêutrons são geralmente descritos como sendo compostos de três quarks. Mas a realidade é muito mais confusa do que isso. Prótons e nêutrons contêm mares inteiros de quarks, antiquarks e glúons. Dentro de um próton ou de um nêutron, partículas e antipartículas colidem constantemente, emergindo do vácuo quântico para a existência e se aniquilando - as partículas virtuais são elementos intrínsecos do vácuo quântico.

Prótons e nêutrons são descritos como compostos de apenas três quarks porque, dentro desse turbilhão de partículas que aparecem e desaparecem, três quarks permanecem sem uma contraparte de antimatéria, explica Beatriz Gato-Rivera, pesquisadora do Conselho Nacional de Pesquisa da Espanha. As versões de antimatéria de prótons-antiprótons contêm três antiquarks não pareados.

Mas mesmo isso poderá mudar em breve, já que recentemente descobrimos que o próton pode ter um quark a mais do que os físicos pensavam.

Colisões de luz produzem matéria e antimatéria a partir de energia pura

A antimatéria não surgiu dos experimentos, surgiu da matemática.
[Imagem: Kimberly Boustead/Sandbox Studio]

A antimatéria foi originalmente prevista através da matemática

Em 1928, o físico britânico Paul Dirac se deparou com um quebra-cabeça. Para descrever o comportamento dos elétrons, ele formulou uma teoria que combinava a relatividade especial de Einstein e a mecânica quântica. Mas, para que suas equações matemáticas funcionassem, ele precisava de uma partícula que, pelo menos na época, não existia. A nova partícula precisava ter a mesma massa que um elétron, mas a carga oposta.

Três anos depois, ele finalmente propôs a existência de tal partícula, que ele chamou de "anti-elétron".

Naquele mesmo ano, o físico norte-americano Carl Anderson, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, estava tirando fotos de estranhas trilhas de partículas deixadas por raios cósmicos atravessando um detector de partículas conhecido como câmara de nuvens. Em 1932, Anderson confirmou que os rastros vinham das partículas que Dirac havia previsto, produzidas quando os raios cósmicos colidiam com a atmosfera da Terra. Ele batizou as partículas de "pósitrons".

Esta foi a primeira observação confirmada da antimatéria.

Equações matemáticas desbalanceadas levaram à previsão de outras partículas também. Durante o início do século 20, as massas e a estabilidade dos átomos não podiam ser explicadas apenas por seus prótons e elétrons. Ernest Rutherford propôs que outra partícula neutra deveria estar aumentando seu peso - nascia o nêutron.

E, em 1930, os físicos precisavam de algo para explicar por que os núcleos que emitiam energia na forma de partículas beta durante o decaimento radioativo não recuavam diretamente para trás, mas em um ângulo. Wolfgang Pauli propôs que o decaimento deveria estar emitindo outra partícula invisível ao mesmo tempo - uma partícula mais tarde chamada de neutrino.

Os cientistas atualmente estão procurando por outras partículas, incluindo áxions, partículas supersimétricas e partículas de matéria escura, que poderiam explicar muitos quebra-cabeças de longa data em física de partículas e cosmologia.

Antimatéria não cai para cima, respondendo à gravidade como a matéria

Em vez de um acelerador de partículas, para lidar com a antimatéria usamos um desacelerador de partículas.
[Imagem: Kimberly Boustead/Sandbox Studio]

É possível criar átomos híbridos feitos parcialmente de antimatéria

Ao desacelerar antiprótons em um desacelerador de partículas e depois combiná-los com hélio criogênico, é possível produzir um átomo híbrido metaestável chamado hélio antiprotônico.

Átomos híbridos como esse são chamados de átomos "exóticos". De um modo geral, um átomo exótico tem uma partícula constituinte trocada por outra partícula com a mesma carga. Em alguns casos, a nova partícula é uma forma de antimatéria. No hélio antiprotônico, o elétron de um átomo de hélio é substituído por um antipróton. Outros exemplos incluem o muônio (que contém um antimúon e um elétron) e o positrônio (que contém um elétron e um pósitron).

Átomos exóticos são usados para estudar interações entre a matéria e a antimatéria em escala minúscula. As interações de curta escala entre as partículas e as antipartículas dentro dos átomos permitem que os pesquisadores estudem fenômenos que não podem ser investigados de outra forma.

"Essas interações de curta escala são uma ferramenta importante na busca por uma nova física," disse Anna Soter, da ETH de Zurique, que participou neste ano de um experimento com antimatéria que produziu um resultado ainda sem explicação.

Os cientistas estão sondando átomos exóticos em busca sinais de uma quinta força incomum entre o antipróton e o elétron. Eles também usam átomos exóticos para obter medidas muito precisas das propriedades das partículas. Isso permite testar simetrias no Modelo Padrão, como a previsão de que partículas e suas antipartículas devem ter exatamente a mesma massa e mesma carga (embora com o sinal oposto).

"Até o momento, o átomo de hélio antiprotônico metaestável é o maior átomo exótico contendo antimatéria que os cientistas conseguiram estudar usando espectroscopia a laser," explicou Soter. "Mas sistemas mais simples, como muônio e positrônio, também são interessantes para estudar. Esses átomos consistem apenas de partículas elementares, com ausência de interação forte."

Além de criar partículas híbridas, os cientistas também podem criar antiátomos. Por exemplo, combinando antiprótons e pósitrons, eles estão produzindo anti-hidrogênio no CERN.

Experimento começa a pesquisar mistério cósmico da antimatéria

Há antimatéria por todo o espaço - mais do que conseguimos explicar.
[Imagem: Kimberly Boustead/Sandbox Studio]

Observações mostram mais antimatéria em nossa galáxia do que cientistas podem explicar

Na década de 1970, o observatório INTEGRAL, da Agência Espacial Europeia, detectou um sinal de raios gama no centro da Via Láctea. O brilho e a distribuição desse sinal indicaram que o equivalente a 9 trilhões de quilogramas de pósitrons (isto é, 10⁴³ pósitrons) dentro do núcleo da nossa galáxia estavam sendo aniquilados a cada segundo - muito mais do que os cientistas esperavam.

De onde vêm todos esses pósitrons é uma questão em aberto. Alguns candidatos incluem o buraco negro supermassivo no centro da galáxia, outros buracos negros maciços nas proximidades, estrelas de nêutrons girando rapidamente, chamadas pulsares, e aniquilações entre partículas de matéria escura.

Vários experimentos visam localizar a fonte dos raios gama no centro da nossa galáxia. O COSI (Compton Spectrometer and Imager), por exemplo, é um telescópio de raios gama que fará imagens do núcleo da nossa galáxia para sondar a fonte desses pósitrons. Outros esforços, como o proposto AMEGO (All-sky Medium Energy Gamma-ray Observatory), também visam esclarecer esse mistério.

Mais recentemente, os cientistas detectaram um segundo excesso de pósitrons, este com energia muito mais alta. O detector de raios cósmicos PAMELA, a bordo de um satélite russo, descobriu em 2008 que mais partículas de antimatéria estavam passando pela Terra do que os cientistas haviam previsto originalmente. Outros experimentos, como o AMS-02, instalado na Estação Espacial Internacional em 2011, confirmaram a descoberta da colaboração PAMELA.

De onde vêm esses pósitrons extras? Várias hipóteses foram levantadas. De acordo com Tim Linden, astrônomo da Universidade de Estocolmo, os candidatos mais fortes podem ser os pulsares.

Os cientistas têm estudado os raios gama dos pulsares para descobrir quantos pósitrons as estrelas liberam. "Estamos obtendo números que combinam muito bem com modelos em que os pulsares produziriam o excesso de pósitrons que vemos," disse Linden.