Descoberta recorde de antimatéria pode nos ajudar a encontrar matéria escura: WebCuriosos
Em experiências realizadas no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos EUA, uma equipa internacional de físicos detectou os “anti-núcleos” mais pesados alguma vez vistos. Os minúsculos objetos de vida curta são compostos de partículas exóticas de antimatéria.
As medições da frequência com que estas entidades são produzidas e das suas propriedades confirmam a nossa compreensão atual da natureza da antimatéria e ajudarão na procura de outro tipo misterioso de partículas – a matéria escura – no espaço profundo.
Os resultados são publicado hoje em Natureza.
Um mundo de espelhos desaparecido
A ideia de antimatéria tem menos de um século. Em 1928, o físico britânico Paul Dirac desenvolveu uma teoria muito precisa para o comportamento dos elétrons que fazia uma previsão perturbadora: a existência de elétrons com energia negativa, o que teria tornado impossível o universo estável em que vivemos.
Felizmente, os cientistas encontraram uma explicação alternativa para esses estados de “energia negativa”: antielétrons, ou gêmeos do elétron com carga elétrica oposta. Os antielétrons foram devidamente descobertos em experimentos em 1932 e, desde então, os cientistas descobriram que todas as partículas fundamentais têm seus próprios equivalentes de antimatéria.
No entanto, isso levanta outra questão. Antielétrons, antiprótons e antinêutrons deveriam ser capazes de se combinar para formar antiátomos inteiros e, na verdade, antiplanetas e antigaláxias. Além do mais, as nossas teorias do Big Bang sugerem que quantidades iguais de matéria e antimatéria devem ter sido criadas no início do universo.
Mas para onde quer que olhemos, vemos matéria – e apenas quantidades insignificantes de antimatéria. Para onde foi a antimatéria? Essa é uma questão que incomoda os cientistas há quase um século.
Fragmentos de átomos esmagados
Os resultados de hoje vêm do Experimento ESTRELAlocalizado no Colisor relativístico de íons pesados no Brookhaven National Lab, nos EUA.
O experimento funciona esmagando núcleos de elementos pesados, como o urânio, uns contra os outros, em velocidade extremamente alta. Estas colisões criam pequenas e intensas bolas de fogo que reproduzem brevemente as condições do universo nos primeiros milissegundos após o Big Bang.
Cada colisão produz centenas de novas partículas, e o experimento STAR pode detectar todas elas. A maioria dessas partículas são entidades instáveis e de vida curta chamadas píons, mas ocasionalmente algo mais interessante aparece.
No detector STAR, as partículas passam através de um grande recipiente cheio de gás dentro de um campo magnético – e deixam rastros visíveis em seu rastro. Ao medir a “espessura” das trilhas e o quanto elas se curvam no campo magnético, os cientistas podem descobrir que tipo de partícula as produziu.
Matéria e antimatéria têm cargas opostas, portanto seus caminhos se curvarão em direções opostas no campo magnético.
'Anti-hiperhidrogênio'
Na natureza, os núcleos dos átomos são feitos de prótons e nêutrons. No entanto, também podemos fazer algo chamado “hipernúcleo”, no qual um dos nêutrons é substituído por um hiperon – uma versão ligeiramente mais pesada do nêutron.
O que detectaram no experimento STAR foi um hipernúcleo feito de antimatéria, ou anti-hipernúcleo. Na verdade, foi o núcleo de antimatéria mais pesado e exótico já visto.
Para ser mais específico, consiste em um antipróton, dois antinêutrons e um anti-hiperon, e tem o nome de anti-hiperidrogênio-4. Entre os bilhões de píons produzidos, os pesquisadores do STAR identificaram apenas 16 núcleos de anti-hiperhidrogênio-4.
Os resultados confirmam as previsões
O novo artigo compara estes antinúcleos novos e mais pesados, bem como uma série de outros antinúcleos mais leves, com os seus homólogos na matéria normal. Os hipernúcleos são todos instáveis e decaem após cerca de um décimo de nanossegundo.
Comparando os hipernúcleos com os seus anti-hipernúcleos correspondentes, vemos que têm tempos de vida e massas idênticos – o que é exactamente o que esperaríamos da teoria de Dirac.
As teorias existentes também fazem um bom trabalho ao prever como os anti-hipernúcleos mais leves são produzidos com mais frequência e os mais pesados, mais raramente.
Um mundo de sombras também?
A antimatéria também tem ligações fascinantes com outra substância exótica, a matéria escura. A partir de observações, sabemos que a matéria escura permeia o universo e é cinco vezes mais prevalente do que a matéria normal – mas nunca fomos capazes de detectá-la diretamente.
Algumas teorias da matéria escura prevêem que, se duas partículas de matéria escura colidirem, elas se aniquilarão e produzirão uma explosão de partículas de matéria e antimatéria. Isso produziria então anti-hidrogênio e anti-hélio – e um experimento chamado Espectrômetro Alfa Magnético a bordo da Estação Espacial Internacional está de olho nisso.
Se observássemos o antihélio no espaço, como saberíamos se ele foi produzido pela matéria escura ou pela matéria normal? Bem, medições como esta do STAR nos permitem calibrar nossos modelos teóricos para a quantidade de antimatéria produzida em colisões de matéria normal. Este último artigo fornece uma riqueza de dados para esse tipo de calibração.
Perguntas básicas permanecem
Aprendemos muito sobre antimatéria no século passado. No entanto, ainda não estamos mais perto de responder à questão de por que vemos tão pouco no universo.
A experiência STAR está longe de estar sozinha na busca pela compreensão da natureza da antimatéria e para onde foi tudo. Trabalhe em experimentos como LHCb e Alice no Grande Colisor de Hádrons na Suíça melhorará a nossa compreensão, procurando sinais de diferenças no comportamento entre matéria e antimatéria.
Talvez em 2032, quando se aproximar o centenário da descoberta inicial da antimatéria, teremos feito alguns avanços na compreensão do lugar desta curiosa matéria espelhada no universo – e até mesmo saberemos como ela está ligada ao enigma da matéria escura.
Ulrik EgedeProfessor de Física, Universidade Monash
Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
