Por que medir a antimatéria é a chave para o nosso Universo
O aglomerado de galáxias MACSJ0717.5+3745, deve ser feito de matéria como nós, ou haveria evidência de aniquilação matéria-antimatéria ao longo da linha de visão. Crédito da imagem: NASA, ESA e equipe HST Frontier Fields (STScI).
As leis da física são simétricas, mas o Universo não é. Alguém Tem que Ceder.
Se a antimatéria e a matéria entrarem em contato, ambas são destruídas instantaneamente. Os físicos chamam o processo de “aniquilação”. – E marrom
Quando os alienígenas vierem ao nosso Sistema Solar, nos saudarem e nos enviarem sua primeira mensagem, provavelmente não será, leve-nos ao seu líder, mas sim, você é feito de matéria ou antimatéria? Com base em todas as observações que já fizemos, parece que todas as estruturas que conhecemos no Universo – planetas, estrelas, gás, galáxias e muito mais – são feitas de matéria e não de antimatéria. Há sinais de aniquilação de matéria/antimatéria, mas a antimatéria que vemos é menos de 0,1% da matéria em todos os locais. Por um lado, sabemos que nosso Universo é dominado pela matéria e não pela antimatéria; podemos estar tão confiantes nesse fato que estaríamos dispostos a apertar a mão de um alienígena sem sequer fazer a pergunta-chave.
Concepção artística do sistema planetário Kepler-42. Temos todos os motivos para acreditar que tudo é feito de matéria, e não de antimatéria. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
Mas, por outro lado, toda interação que cria ou destrói matéria também cria ou destrói uma quantidade igual de antimatéria. Então, como conciliar essas duas coisas? Como temos um Universo que exibe interações perfeitamente simétricas entre matéria e antimatéria, mas que é feito inteiramente de matéria e não de antimatéria?
As partículas e antipartículas do Modelo Padrão. Crédito da imagem: E. Siegel.
Deve haver algo que é fundamentalmente diferente entre os dois. Descobrir exatamente quais são essas diferenças será a chave para entender como nosso Universo – completo com galáxias, estrelas, planetas e seres humanos – veio a existir. Conseguimos medir as propriedades da matéria incrivelmente bem por muitas gerações. Podemos medir:
- sua massa,
- sua aceleração em um campo gravitacional,
- sua carga elétrica,
- seu giro,
- suas propriedades magnéticas,
- como ele se liga em átomos, moléculas e estruturas maiores,
- e como as transições eletrônicas funcionam nessas configurações variadas.
Transições de elétrons no átomo de hidrogênio, juntamente com os comprimentos de onda dos fótons resultantes. Crédito da imagem: usuários do Wikimedia Commons Szdori e OrangeDog.
Embora existam outras propriedades que podemos medir - taxas de decaimento, amplitudes de espalhamento, seções transversais, etc. - essas são algumas das mais fundamentais e importantes. Eles nos contam o básico de como a matéria interage consigo mesma e com as forças gravitacionais e eletromagnéticas. Se as leis da natureza são completamente simétricas, a antimatéria deve ter algumas propriedades particulares que se alinham de forma idêntica, como segue. A contraparte de antimatéria de cada partícula de matéria deve ter:
- a mesma massa,
- a mesma aceleração em um campo gravitacional,
- a carga elétrica oposta,
- o giro oposto,
- as mesmas propriedades magnéticas,
- devem se unir da mesma maneira em átomos, moléculas e estruturas maiores,
- e deve ter o mesmo espectro de transições de pósitrons nessas configurações variadas.
Alguns deles são medidos há muito tempo: a massa da antimatéria, a carga elétrica, o spin e as propriedades magnéticas são bem conhecidas. Mas essas propriedades são fáceis de medir.
Trajetórias de átomos de anti-hidrogênio do experimento ALPHA. (Foto cortesia de Chukman So/Universidade da Califórnia, Berkeley)
Em energias altas o suficiente, é fácil criar pares adicionais de matéria/antimatéria colidindo partículas umas nas outras. Contanto que você tenha energia livre suficiente para fazer uma nova partícula e uma nova antipartícula - o suficiente E para fazer as novas massas como dado por Einstein E = mc2 — você pode simplesmente criar matéria e antimatéria. Contanto que a antimatéria não colida com outra partícula de matéria, o que faria com que ela se aniquilasse instantaneamente em energia pura, você pode determinar suas propriedades pelos rastros que ela deixa para trás em um detector. Sua energia e momento, bem como sua carga elétrica e massa, podem ser reconstruídas pelos rastros que deixa para trás quando submetido a campos elétricos e magnéticos.
Faixas da câmara de bolhas do Fermilab, revelando a carga, massa, energia e momento das partículas criadas. Crédito da imagem: FNAL/DOE/NSF.
Mas devido à sua volatilidade e à facilidade de destruição, é difícil manter a antimatéria viva por muito tempo. Você tem que isolá-lo de qualquer assunto com o qual ele entraria em contato. Você precisa desacelerar, esfriar e confiná-lo. E você precisa persuadi-lo a se ligar a outras partículas de antimatéria igualmente precárias, de cargas opostas, se quiser formar anti-átomos. Notavelmente, graças aos avanços na tecnologia e na técnica, a última década viu um conjunto notável de avanços nessa frente. Conseguimos fazer isso e criamos anti-átomos neutros.
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. Crédito da imagem: Lawrence Berkeley Labs.
Conseguimos isolá-los e confiná-los, mantendo-os estáveis por mais de 10 minutos de cada vez. Conseguimos medir suas forças elétricas e nucleares atrativas e repulsivas , e estão trabalhando para chegar à força gravitacional. E no início deste mês, pela primeira vez, medimos a transições de elétrons no átomo de anti-hidrogênio , e determinaram que eram equivalentes em todos os sentidos às transições em um átomo de hidrogênio para melhor do que uma parte em um bilhão (10⁹).
Membros da equipe ALPHA nas instalações experimentais do CERN. Foto por Fotografia: Maximilien Brice, do CERN: https://cds.cern.ch/record/2238961
Mesmo assim a busca continua. Encontramos um conjunto muito sutil de diferenças entre os decaimentos na interação nuclear fraca entre os quarks strange, charm e bottom e seus antiquarks homólogos: a primeira dica de que a antimatéria é diferente da matéria. Mas não é suficiente para explicar por que o Universo é feito de matéria e não de antimatéria. Para isso, precisamos de física adicional. Precisamos de algo que vá além do Modelo Padrão e além de nossas expectativas padrão. Então continuamos a investigar novas partículas, novas interações e assimetrias inesperadas. Se tivermos sorte, podemos tropeçar na origem de por que a matéria está em toda parte e a antimatéria não.
Um possível conjunto de novas partículas, os Xs e Ys que surgem nas grandes teorias da unificação, poderia dar origem à assimetria matéria-antimatéria. Crédito da imagem: E. Siegel, de seu livro, Além da Galáxia.
Mas até lá, nossa única opção é continuar esfaqueando no escuro. Para continuar procurando a próxima casa decimal; o próximo efeito sutil a ser medido; a próxima configuração nuclear ou atômica mais avançada para testar. A natureza pode demorar a abrir mão dos segredos que são a chave da nossa existência, mas somos persistentes. Continuar a investigar o improvável – ou mesmo o impossível – é a única maneira que conhecemos de descobrir a verdade suprema.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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