Pergunte a Ethan: O que há de tão 'anti' sobre a antimatéria?
Colisões de partículas de alta energia podem criar pares de matéria-antimatéria ou fótons, enquanto pares de matéria-antimatéria também se aniquilam para produzir fótons, como mostram essas trilhas da câmara de bolhas. Mas o que determina se uma partícula é matéria ou antimatéria? Crédito da imagem: Fermilab.
Existem muitas propriedades inerentes às partículas e, embora todos tenham uma antipartícula, nem todos são matéria ou antimatéria.
Para cada partícula de matéria que se sabe existir no Universo, há uma contraparte de antimatéria. A antimatéria tem muitas das mesmas propriedades que a matéria normal, incluindo os tipos de interação que sofre, sua massa, a magnitude de sua carga elétrica e assim por diante. Mas também existem algumas diferenças fundamentais. No entanto, duas coisas são certas sobre as interações matéria-antimatéria: se você colidir uma partícula de matéria com uma contraparte de antimatéria, ambas imediatamente se aniquilam em energia pura, e se você sofre qualquer interação no Universo que crie uma partícula de matéria, você também deve criar sua contraparte de antimatéria. Então, o que torna a antimatéria tão anti, afinal? É isso que Robert Nagle quer saber, ao perguntar:
Em um nível fundamental, qual é a diferença entre a matéria e sua contraparte antimatéria? Existe algum tipo de propriedade intrínseca que faz com que uma partícula seja matéria ou antimatéria? Existe alguma propriedade intrínseca (como spin) que distingue quarks e antiquarks? O que coloca o ‘anti’ na antimatéria?
Para entender a resposta, precisamos dar uma olhada em todas as partículas (e antipartículas) que existem.
As partículas e antipartículas do Modelo Padrão obedecem a todo tipo de leis de conservação, mas existem diferenças fundamentais entre partículas fermiônicas e antipartículas e bosônicas. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.
Este é o Modelo Padrão de partículas elementares: o conjunto completo de partículas descobertas no Universo conhecido. Existem geralmente duas classes dessas partículas, os bósons, que têm spins inteiros (…, -2, -1, 0, +1, +2, …) e não são nem matéria nem antimatéria, e os férmions, que têm metade- spins inteiros (…, -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, …) e devem ser partículas do tipo matéria ou antimatéria. Para qualquer partícula que você possa pensar em criar, haverá uma série de propriedades inerentes a ela, definidas pelo que chamamos de números quânticos. Para uma partícula individual isolada, isso inclui vários traços com os quais você provavelmente está familiarizado, bem como alguns com os quais você pode não estar familiarizado.
Essas configurações possíveis para um elétron em um átomo de hidrogênio são extraordinariamente diferentes umas das outras, mas todas representam a mesma partícula exata em um estado quântico ligeiramente diferente. Partículas (e antipartículas) também têm números quânticos intrínsecos que não podem ser alterados, e esses números são fundamentais para definir se uma partícula é matéria, antimatéria ou nenhum dos dois. Crédito da imagem: PoorLeno / Wikimedia Commons.
As mais fáceis são coisas como massa e carga elétrica. Um elétron, por exemplo, tem uma massa de repouso de 9,11 × 10^–31 kg e uma carga elétrica de -1,6 × 10^–19 C. Os elétrons também podem se ligar aos prótons para produzir um átomo de hidrogênio, com uma série de linhas espectrais e características de emissão/absorção com base na força eletromagnética entre elas. Os elétrons têm um spin de +1/2 ou -1/2, um número de léptons de +1 e um número de família de léptons de +1 para o primeiro (elétron) das três famílias de léptons (elétron, mu, tau). (Vamos ignorar números como isospin fraco e hipercarga fraca, para simplificar.)
Dadas essas propriedades de um elétron, podemos nos perguntar como seria a contraparte de antimatéria do elétron, com base nas regras que governam as partículas elementares.
Em um átomo de hidrogênio simples, um único elétron orbita um único próton. Em um átomo de anti-hidrogênio, um único pósitron (anti-elétron) orbita um único antipróton. Pósitrons e antiprótons são as contrapartes de antimatéria de elétrons e prótons, respectivamente. Crédito da imagem: Lawrence Berkeley Labs.
As magnitudes de todos os números quânticos devem permanecer as mesmas. Mas para antipartículas, o sinais desses números quânticos devem ser invertidos. Para um antielétron, isso significa que ele deve ter os seguintes números quânticos:
- uma massa de repouso de 9,11 × 10^–31 kg,
- uma carga elétrica de +1,6 × 10^–19 C,
- uma rotação de (respectivamente) -1/2 ou +1/2,
- um número leptônico de -1,
- e um número de família de léptons de -1 para a primeira família de léptons (elétrons).
E quando você o liga com um antipróton, ele deve produzir exatamente a mesma série de linhas espectrais e características de emissão/absorção que o sistema elétron/próton produziu.
As transições de elétrons no átomo de hidrogênio, juntamente com os comprimentos de onda dos fótons resultantes, mostram o efeito da energia de ligação e a relação entre o elétron e o próton na física quântica. Verificou-se que as linhas espectrais entre pósitrons e antiprótons são exatamente as mesmas. Crédito da imagem: usuários do Wikimedia Commons Szdori e OrangeDog.
Todos esses fatos foram verificados experimentalmente. A partícula que corresponde a esta descrição exata do anti-elétron é a partícula conhecida como pósitron! A razão pela qual isso é necessário vem quando você considera como você faz matéria e antimatéria: você normalmente as faz do nada. Ou seja, se você colidir duas partículas com uma energia alta o suficiente, muitas vezes você pode criar um par extra partícula-antipartícula a partir do excesso de energia (de de Einstein E = mc2 ), que economiza energia.
Sempre que você colide uma partícula com sua antipartícula, ela pode se aniquilar em pura energia. Isso significa que, se você colidir duas partículas com energia suficiente, poderá criar um par matéria-antimatéria. Crédito da imagem: Andrew Deniszczyc, 2017.
Mas você não precisa apenas economizar energia; há uma série de números quânticos que você também precisa conservar! E estes incluem todos os seguintes:
- carga elétrica,
- momento angular (que combina spin e momento angular orbital; para partículas individuais não ligadas, isso é apenas spin),
- número lépton,
- número bariônico,
- número da família lépton,
- e carga de cor.
Dessas propriedades intrínsecas, existem duas que definem você como matéria ou antimatéria, e essas são o número bariônico e o número leptônico.
No início do Universo, o conjunto completo de partículas e suas partículas de antimatéria eram extraordinariamente abundantes, mas à medida que o Universo esfriava, a maioria se aniquilava. Toda a matéria convencional que nos resta hoje é dos quarks e léptons, com números positivos de bárions e léptons, que superavam em número seus antiquarks e antiléptons. (Somente quarks e antiquarks são mostrados aqui.) Crédito da imagem: E. Siegel / Beyond The Galaxy.
Se qualquer um desses números for positivo, você é matéria. É por isso que os quarks (cada um com número bariônico de +1/3), elétrons, múons, taus e neutrinos (cada um com número leptônico de +1) são todos matéria, enquanto antiquarks, pósitrons, anti-múons, anti-taus , e anti-neutrinos são todos antimatéria. Estes são todos os férmions e antifermions, e cada férmion é uma partícula de matéria, enquanto todo antifermion é uma partícula de antimatéria.
As partículas do modelo padrão, com massas (em MeV) no canto superior direito. Os férmions compõem as três colunas da esquerda; os bósons povoam as duas colunas da direita. Embora todas as partículas tenham uma antipartícula correspondente, apenas os férmions podem ser matéria ou antimatéria. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group.
Mas também existem os bósons. Existem glúons que têm como antipartículas os glúons das combinações de cores opostas; há o W+ que é a antipartícula do W- (com carga elétrica oposta), e há o Z0, o bóson de Higgs e o fóton, que são suas próprias antipartículas. No entanto, os bósons não são matéria nem antimatéria. Sem um número leptônico ou número bariônico, essas partículas podem ter cargas elétricas, cargas de cor, spins, etc., mas ninguém pode chamar a si mesmo de matéria ou antimatéria e sua contraparte antipartícula de outra. Nesse caso, os bósons são simplesmente bósons e, se não tiverem cargas, são simplesmente suas próprias antipartículas.
Em todas as escalas do Universo, desde nossa vizinhança local até o meio interestelar, galáxias individuais, aglomerados, filamentos e a grande teia cósmica, tudo o que observamos parece ser feito de matéria normal e não de antimatéria. Este é um mistério inexplicável. Crédito da imagem: NASA, ESA e Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
Então, o que coloca o anti em antimatéria? Se você é uma partícula individual, então sua antipartícula tem a mesma massa que você com todos os números quânticos opostos conservados: é a partícula que é capaz de aniquilar com você de volta à energia pura se vocês dois se encontrarem. Mas se você quer ser matéria, você precisa ter um número bariônico positivo ou um número leptônico positivo; se você quer ser antimatéria, você deve ter um número bariônico negativo ou um número lépton negativo. Além disso, não há nenhuma razão fundamental conhecida para o nosso Universo ter favorecido a matéria sobre a antimatéria; ainda não sabemos como essa simetria foi quebrada. ( Embora tenhamos ideias .) Se as coisas tivessem sido diferentes, provavelmente chamaríamos o que quer que fôssemos de matéria e seu oposto de antimatéria, mas quem recebe esse nome é completamente arbitrário. Como em todas as coisas, o Universo é tendencioso para os sobreviventes.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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