Físicos enxergam “mau comportamento” de matéria e antimatéria

Um dos maiores mistérios na física é por que há matéria no Universo. Esta semana, um grupo de físicos do maior acelerador de partículas do mundo, o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), pode ter se aproximado de uma resposta. Eles descobriram que partículas de uma mesma família, como os prótons e os nêutrons que compõem os objetos com que estamos acostumados, se comportam de maneira ligeiramente diferente de seus homólogos de antimatéria.


Embora matéria e antimatéria possuam as mesmas propriedades, partículas de antimatéria carregam cargas opostas às partículas de matéria. Em um bloco de ferro, por exemplo, os prótons são positivamente carregados e os elétrons, negativamente. Um bloco de antimatéria de ferro teria antiprótons carregados negativamente e antielétrons (conhecidos como pósitrons), positivamente. Se matéria e antimatéria entram em contato, aniquilam uma a outra e se transformam em fótons (ou, ocasionalmente, algumas partículas leves como os neutrinos). Além disso, um pedaço de matéria e um de antimatéria deveriam se comportar da mesma forma e até parecerem o mesmo - um fenômeno chamado simetria de carga-paridade (CP, na sigla em inglês).

Além do comportamento idêntico, a simetria CP também implica que as quantidades de matéria e a de antimatéria formadas no Big Bang, por volta de 13,7 bilhões de anos atrás, deveriam ter sido iguais. Certamente não foram, porque se esse fosse o caso, toda a matéria e antimatéria no Universo teriam sido aniquiladas no começo, e até mesmo os humanos não estariam aqui.

Contudo, se houve uma violação nessa simetria - o que significa que um pedaço de antimatéria se comportaria de uma forma diferente de sua matéria homóloga - talvez essa diferença pudesse explicar por que existe matéria hoje.

Para procurar essa violação, físicos do LHC, um anel de 27 quilômetros embaixo da Suíça e da França, observaram uma partícula chamada bárion lambda. Bárions incluem a classe de partículas que compõem matéria comum; prótons e nêutrons são bárions. Eles são feitos de quarks, e bárions de antimatéria são constituídos de antiquarks. Tanto quarks quando antiquarks vêm em seis “sabores”: up, down, top, bottom (ou beauty), strange e charm, como os cientistas chamam as diferentes variedades. Uma lambda-b é feita de um quark up, um down e um bottom. (Um próton é constituído de dois up e um down, enquanto um nêutron consiste em dois down e um up.)

Se a lambda e sua irmã antimatéria mostrarem simetria CP, então seria esperado que elas decaíssem da mesma forma. Em vez disso, a equipe descobriu que as partículas lambda-b e a antilambda-b decaem de maneiras diferentes. Lambdas decaem de duas formas: em um próton e duas partículas carregadas chamadas de mésons pi (ou píons), ou em um próton e dois mésons K (ou káons). Quando partículas decaem, elas jogam fora suas partículas filhas em um certo conjunto de ângulos. As lambdas da matéria e da antimatéria fizeram isso, mas os ângulos foram diferentes.

Essa não é a primeira vez que matéria e antimatéria se comportam de maneira diferente. Nos anos 1960, cientistas estudaram káons, os quais também decaíram de uma forma diferentes de seus homólogos de antimatéria. Mésons B - que consistem de um quark bottom e um up, down, strange ou charm - também mostraram um comportamento “de violação” similar.

Mésons, entretanto, não são como bárions. Eles são pares de quarks e antiquarks. Bárions são feitos apenas de quarks normais; antibárions, de antiquarks. Discrepâncias entre o decaimento de bárions e antibárions nunca antes foram observadas.

“Agora temos algo para os bárions”, Marcin Kucharczyk, professor associado no Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências, o qual colaborou no experimento do LHC, disse à Live Science. “Quando tínhamos observado mésons, não era óbvio que era o mesmo com os bárions”.

Embora tentadores, os resultados não eram sólidos o suficiente para contar como uma descoberta. Para físicos, a medida de significância estatística, a qual é uma forma de checar se dados podem acontecer por acaso, é de 5 sigmas. Sigma se refere a desvios padrão e o 5 significa que existe apenas 1 chance em 3,5 milhões do resultado acontecer por acaso. O experimento teve 3,3 sigma - bom, mas ainda não chegou lá. (Um 3,3 sigma significa que há cerca de 1 chance em 4200 da observação ter acontecido aleatoriamente, ou um nível de 99% de confiança.)

As descobertas não são uma resposta completa para o mistério de por que a matéria domina o universo, disse Kucharczyk.

“Isso não consegue explicar totalmente a assimetria”, ele disse. “No futuro, teremos mais estatísticas, talvez de outros bárions”.

 

Jesse Emspak, da SPACE.com

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Físicos medem a antimatéria em experimento pioneiro com laser

No que pode ser considerada uma proeza técnica, físicos conseguiram realizar as primeiras medidas de como átomos de antimatéria absorvem a luz. 

Pesquisadores do CERN, o laboratório europeu de física de partículas localizado em uma região de Genebra, focalizaram um laser ultravioleta num átomo de anti-hidrogênio, o átomo de antimatéria equivalente ao hidrogênio. Eles mediram a frequência de luz necessária para mover um pósitron — um antielétron — da sua camada de energia mais baixa para a próxima camada superior, e não encontraram discrepâncias com a transição de energia correspondente do hidrogênio comum.

O resultado nulo ainda é muito animador para os pesquisadores, que trabalham há décadas em direção da espectroscopia de antimatéria, o estudo de como a luz é absorvida e emitida pela antimatéria. A esperança é que o campo possa fornecer um novo teste de uma simetria fundamental das leis conhecidas da física, chamada de simetria CPT (carga-paridade-tempo).

A simetria CPT prevê que os níveis de energia da antimatéria e matéria devem ser os mesmos. Mesmo a menor violação dessa regra exigiria repensar seriamente todo o modelo padrão da física de partículas.

Randolf Pohl, espectroscopista da Universidade de Johannes Gutenberg, em Mainz, Alemanha, mal podia conter sua animação. “Depois de todos esses anos, esses caras finalmente conseguiram fazer uma espectroscopia óptica em anti-hidrogênio. Isso é um marco na investigação de átomos exóticos.”

“É incrível que alguém possa controlar a antimatéria a ponto de ser possível fazer isso,” afirma Michael Peskin, físico teórico do Centro de Aceleração Linear de Standford, em Menlo Park, Califórnia.

Anti-hidrogênio frio

O estudo da antimatéria é extremamente difícil porque ela se extingue sempre que entra em contato com a matéria normal. Em 2010, o experimento ALPHA, uma colaboração internacional localizada no CERN, demonstrou como prender anti-hidrogênio em uma armadilha magnética — e, desde então, vem trabalhando no estudo de suas interações com a luz.

A cada 15 minutos, aproximadamente, o grupo ALPHA pode produzir cerca de 25.000 átomos de anti-hidrogênio. Para fazê-los, os físicos combinam pósitrons, emitidos por uma substância radioativa, com antiprótons, produzidos por um acelerador de partículas e então desacelerados quando resfriados.

A maior parte desses átomos são muito “quentes” — se movem muito rapidamente, e estão em um estado de energia muito alto — para estudos de espectroscopia. Então os pesquisadores precisam deixá-los escapar da armadilha magnética, deixando apenas alguns dos átomos mais lentos e menos energizados de anti-hidrogênio. Aperfeiçoar essa técnica levou anos, afirma o representante do ALPHA, Jeffrey Hangst. “Produzir anti-hidrogênio é relativamente fácil; produzir anti-hidrogênio frio é muito difícil,” ele diz.

Finalmente, a equipe do ALPHA conseguiu enxergar se, quando os pesquisadores faziam um laser brilhar em uma frequência específica, os átomos de anti-hidrogênio agiam como seus correspondentes de hidrogênio. O grupo afirmou que sim: a transição de energia é consistente e com precisão de 2 partes em 10 bilhões, relataram na Nature no dia 19 de dezembro.

"Você coloca tanto esforço em um projeto, e ele finalmente dá certo. Quase não há palavras para descrever,” diz Hangst.

Agora, os pesquisadores esperam sondar o anti-hidrogênio com uma ampla variação de energias de laser. Isso poderia fornecer um teste de matéria mais rigoroso – equivalência de antimatéria e simetria CPT.

Muitas teorias, como a teoria das cordas, que se aventuram além do modelo padrão ao combinar a gravidade com as três outras forças fundamentais da física subatômica, envolvem alguma violação do CPT, diz Peskin. “Então não é claro se a CPT é a simetria verdadeira da natureza,” ele diz.

Dois outros experimentos no CERN — chamados de ATRAP e ASACUSA — competiam com o ALPHA para medir a espectroscopia da antimatéria. Gerald Gabrielse, líder do ATRAP e físico da Universidade de Harvard em Cambridge, Massachusetts, diz que ele propôs pela primeira vez medir a energia de transição específica do anti-hidrogênio que a equipe do ALPHA relatou 30 anos atrás. “Nós começamos dez anos antes e eles chegaram a esse resultado primeiro,” ele afirma. “Parabéns para a ALPHA.”

Davide Castelvecchi


Esse artigo foi reproduzido com permissão e foi publicado originalmente na Nature no dia 19 de dezembro de 2016.