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O que é a antimatéria?

- Atualizado no dia 27 de setembro de 2023 -

            Átomos ordinários consistem de um número de elétrons em órbita de um núcleo atômico composto de prótons e nêutrons. O mais simples elemento químico, hidrogênio, possui seu isótopo mais abundante representado por um átomo constituído de um elétron (carga negativa) orbitando ao redor de um próton (carga positiva). Mas toda matéria ordinária possui sua antimatéria correspondente, onde, por exemplo, elétrons possuem carga positiva (pósitrons) e prótons uma carga negativa (antipróton). Um átomo de hidrogênio, portanto, possui seu correspondente oposto, o antihidrogênio, formado por um pósitron orbitando um antipróton. 

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   ANTIMATÉRIA E ASSIMETRIA

          Em 1928, o Físico Britânico Paul Dirac desenvolveu uma equação que combinava teoria quântica e relatividade especial para descrever o comportamento de um elétron se movendo a uma velocidade relativística (próxima da velocidade da luz no vácuo, ~300000 km/s). A equação - a qual foi responsável por garantir um Prêmio Nobel ao cientista em 1933 - trouxe também um problema: assim como a equação x2 = 4 pode ter duas possíveis soluções (x = 2 ou x = -2), a equação de Dirac trazia duas soluções, uma para um elétron com energia positiva, e uma para um elétron com energia negativa. Porém, a física clássica estabelece que a energia de uma partícula deve sempre ser um número positivo.

          Nesse sentido, Dirac interpretou a equação como implicando que para cada partícula existe uma antipartícula correspondente, com as exatas mesmas propriedades da partícula ordinária mas com uma exceção: cargas opostas. Por exemplo, o elétron possui carga negativa, enquanto o antielétron é um elétron (mesma massa, dimensão, spin) mas com carga positiva. De fato, a previsão de Dirac se confirmou em 1933, quando foi descoberto o primeiro elétron com uma carga positiva (antielétron), o qual recebeu o nome de 'pósitron'. Partículas ainda mais fundamentais do que prótons e elétrons, como os quarks e glúons, mostraram também possuir uma versão de antimatéria (ex.: antiquark),. Aliás, dentro dos prótons, existe um mar de quarks e antiquarks continuamente aparecendo do "nada" e rapidamente se aniquilando (Ref.10). Mesmo partículas neutras (sem carga elétrica), como o nêutron e o neutrino, possuem uma antipartícula correspondente; o antinêutron se diferencia do nêutron por ser constituído de antiquarks. É proposta também antimatéria relativa à enigmática Matéria Escura (Ref.3).

Leitura recomendada:

          Como regra geral, quando uma partícula encontra uma antipartícula, ambas se aniquilam (!). A energia produzida no processo - a qual segue a famosa equação derivada da Relatividade Especial, E = mc2 (1) - é equivalente à massa total do par partícula-antipartícula, sendo convertida em uma combinação de novas partículas com massa (ex.: neutrinos), energia cinética e raios-gama (fótons altamente energéticos). A aniquilação matéria-antimatéria produz mais energia por unidade de massa do que qualquer outro meio de produção energética. 

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(!) IMPORTANTE mencionar que algumas partículas podem conviver com suas antipartículas correspondentes devido a propriedades especiais. Por exemplo, mésons neutros (sem carga elétrica) englobando um quark bonito e um quark estranho podem oscilar entre partícula e antipartícula, formando um sistema estável partícula-antipartícula (Ref.11).

Mésons possuem uma curtíssimo tempo de existência, de apenas um único picossegundo (10-12 segundo). Durante esse breve período de existência, essas partículas cobrem cerca de 1 cm de distância, oscilando inúmeras vezes no caminho. Em específico, os mésons neutros oscilam entre matéria e antimatéria 3 trilhões de vezes por segundo, algo 300 vezes mais rápido do que a oscilação de um típico relógio atômico baseado em césio. É também previsto que o nêutron pode realizar uma transição similar de matéria para antimatéria, e cientistas estão ainda tentando prová-la experimentalmente (Ref.13).

(1) Sobre a equivalência entre massa e energia, fica a sugestão de leitura: Qual a diferença entre as Teorias da Relatividade Geral e da Relatividade Especial? 

(2) Aliás, é interessante mencionar que colisões entre fótons (partículas constituintes da luz e de radiações eletromagnéticas em geral) são teorizadas de ser um meio fundamental pelo qual matéria é gerada no universo (ou seja, quase o inverso da aniquilação matéria-antimatéria), emergindo da famosa equação E = mc2, esta por sua vez derivada de cálculos teóricos da Relatividade Especial. De fato, pesquisadores "facilmente" conseguem produzir matéria a partir da luz em laboratório, de forma indireta: acelerando íons metálicos a altas velocidades uns contra os outros; em tais velocidades, íons são cercados por fótons que acabam colidindo uns contra os outros e produzindo matéria e antimatéria. Mais recentemente, cientistas conseguiram produzir pares de elétrons e pósitrons diretamente a partir de colisões de fótons, através do uso de poderosos lasers e campos magnéticos - em específico a criação ocorreu via processo Breit-Wheeler (aniquilação de dois raios gama muito energéticos em um par de elétron-pósitron) (Ref.14).

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           Um dos maiores mistério na Astrofísica moderna para ser resolvido é o porquê do Universo visível ser constituído quase inteiramente de matéria normal (bariônica). O evento do Big Bang era para ter criado quantidades iguais de matéria e de antimatéria. Mas hoje, praticamente tudo o que vemos, desde seres vivos até estrelas, é feito quase exclusivamente de matéria. Quantidades muito pequenas de partículas de antimatéria, como pósitrons, são produzidas durante colisões de raios cósmicos e alguns tipos de decaimentos radioativos. Em experimentos laboratoriais para a produção de antiátomos, como no Desacelerador de Antiprótons do laboratório CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, na sigla em Francês), na Suíça, quantidades minúsculas de pósitrons e de antiprótons são produzidas de forma controlada. Aceleradores de partículas têm acumuladamente produzido, de forma colateral, nanogramas de antipartículas.



          Em outras palavras, algo deve ter ocorrido na grande e rápida expansão inicial do Universo para mudar o balanço entre matéria e antimatéria, resultando em um dramático excesso de matéria. Outro ponto é que durante as primeiras frações de segundo do Big Bang, o altamente denso e quente Universo estava teoricamente abarrotado com pares de partículas e antipartículas continuamente emergindo e desaparecendo. Se matéria e antimatéria são criadas e destruídas juntas, era esperado que existisse apenas energia espalhada no Universo pós-Big Bang, ou seja, inexistência de matéria.

           De qualquer forma, uma pequena e significativa porção de matéria no Universo - cerca de uma partícula por bilhão - conseguiu persistir nesses contínuos eventos de aniquilação, indicando que mais matéria do que antimatéria eventualmente começou a ser criada a partir de algum ponto durante o Big Bang. Em outras palavras, algum fenômeno desconhecido fez com que as partículas primordiais "oscilantes" decaíssem mais como matéria do que como antimatéria. É como se tivéssemos uma moeda girando em uma mesa, podendo cair como cara ou coroa. Se estivessem sendo giradas sempre do mesmo modo e nas mesmas condições espaciais, seria esperado que uma chance de cara ou coroa sempre fosse 50%. Se cara está ocorrendo em quase 100% das vezes, é porque algum fator físico está desfavorecendo a coroa.

             Isso também abre outra pergunta: uma maçã constituída de antimatéria cairia no chão do mesmo modo que a maçã que nós conhecemos (constituída de matéria)? Você em um mundo de antimatéria, com todos os seus átomos feitos de pósitrons, antiprótons e antinêutrons, se comportaria do mesmo modo e interagiria com o mundo da mesma forma como faz agora? Por muito tempo a antimatéria tem sido considerada um espelho da matéria, representado uma perfeita simetria. Mas e se essa simetria intrínseca não existir ou for suscetível a violações?

           De fato, alguns experimentos nos últimos anos vêm sugerindo que as leis da natureza não parecem ser iguais para partículas de matéria e de antimatéria. Por exemplo, em um estudo publicado em 2020 na Nature (Ref.5), pesquisadores encontraram, através de experimentos no acelerador de prótons J-PARC, no Japão, que o neutrino se comporta de forma significativamente diferente do antineutrino, trazendo forte evidência que que as antipartículas não representam uma perfeita simetria em relação às partículas. Nesse sentido, têm sido proposto que a assimetria bariônica do Universo pode ser explicada caso radiação tenha sido criada assimetricamente entre bárions (ex.: prótons e nêutrons) e antibárions após a inflação (Big Bang) (Ref.6). Aliás, evidências recentes sugerem inclusive que as leis da natureza podem variar no espaço e no tempo, não apenas entre matéria e antimatéria, e com constantes bem estabelecidas suspeitas de variarem dependendo de onde estamos no Universo (Ref.7).

          Por outro lado, um estudo publicado em 2022 no periódico Nature (Ref.12), baseado em experimentos conduzidos no CERN, concluiu que matéria e antimatéria parecem responder de forma igual aos efeitos gravitacionais (dentro de uma incerteza de 3 partes em 100, ou seja, aceleração gravitacional é pelo menos 97% idêntica para matéria e antimatéria). Em um segundo experimento mais recente no CERN, também publicado na Nature (Ref.16) e envolvendo alguns milhares de átomos de antihidrogênio resfriados a uma temperatura apenas ~0,5°C acima do zero absoluto (!) e conservados sob um forte campo magnético, pesquisadores mostraram que o conjunto de anti-átomos respondia à força da gravidade de forma similar a átomos (acelerando no sentido do centro gravitacional da Terra). Esse segundo experimento virtualmente refutou a ideia de uma "antigravidade", ou seja, que a antimatéria aceleraria no sentido oposto à matéria sob um mesmo campo gravitacional. A probabilidade de um efeito 'repulsivo' da gravidade sobre a antimatéria mostrou ser inferior a 10-15 (quantitativamente desprezível).

            Esse dois últimos experimentos, à primeira vista, corroboram um princípio fundamental Teoria da Relatividade Geral (1): o Princípio de Equivalência Fraco determina que todos os objetos com a mesma massa reagem de forma idêntica à gravidade, independentemente da estrutura interna, e, nesse sentido, devem experienciar a mesma aceleração gravitacional. 

            Existe também uma proposta pouco defendida sugerindo que a antimatéria não foi desfavorecida durante o Big Bang, estando presente aprisionada e escondida na estrutura de objetos supermassivos no Universo, como os supermassivos buracos negros presentes no núcleo de galáxias (Ref.8). Em contraste à essa proposta, um estudo mais recente publicado no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Ref.15), empregando uma colossal análise matemática e simulações computacionais das interações de agrupamentos galácticos, trouxe convincente evidência de que o universo prefere ou matéria ou antimatéria (violação da paridade), fortemente sugerindo que existiu uma assimetria nos momentos iniciais do Big Bang. 

           É válido mencionar que as antipartículas não fazem parte do interesse apenas de experimentos "abstratos" de Física Teórica ou de modelos cosmológicos de evolução do universo. Pósitrons possuem extensa aplicabilidade em tecnologias analíticas, como na caracterização de materiais e na técnica de tomografia por emissão de pósitron (PET), esta última muito usada no desenvolvimento de medicamentos e para o estudo de processos metabólicos.

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   (!) CONGELANDO ANTIMATÉRIA

            O fóton - a excitação quântica do campo eletromagnético - não possui massa de repouso, mas carrega momento. Um fóton (partícula-onda constituinte da luz e outras radiações eletromagnéticas), portanto, pode exercer uma força sobre um objeto durante uma colisão. Nesse sentido, é possível desacelerar o momento translacional de átomos e de íons ao aplicar tal força, ou seja, direcionar feixes de laser (fluxo linear de fótons) (2) de forma a 'frear' na força o movimento caótico dessas partículas. Como temperatura é, basicamente, uma medida de agitação das partículas em um meio, um laser pode causar um resfriamento dramático em um conjunto de átomos, moléculas, íons ou outras partículas, chegando próximo de imobilizá-los.

(2) Para mais informações sobre o funcionamento de um laser, acesse: Físicos estão construindo um laser tão poderoso que esse será capaz de rasgar até mesmo o espaço vazio

            Essa técnica de resfriamento por laser trouxe importantes avanços em numerosos campos de estudo, incluindo relógios atômicos, testes de leis fundamentais da física e informação quântica.

           O átomo de antihidrogênio, o mais simples exemplo de antimatéria atômica, oferece oportunidades únicas para a exploração de questões abertas da Física Moderna. Comparações precisas das propriedades do antihidrogênio com aquelas do átomo de hidrogênio podem permitir testes de simetrias fundamentais, como o princípio de equivalência. Esse tipo de análise comparativa pode ser possível com o resfriamento desse anti-átomo através de lasers.

             Em um estudo publicado em 2021 na Nature (Ref.1), pesquisadores usaram a técnica de 'resfriamento Doppler', baseado em absorção velocidade-dependente de fótons (feixe de laser) quasi-ressonantes por átomos para finalmente resfriar uma amostra de antiátomos de hidrogênio. Esse procedimento envolve a excitamento da transição 1S-2P Lyman-α do anti-hidrogênio. Para o experimento, os átomos de antihidrogênio foram obtidos no aparato ALPHA-2, uma armadilha de antihidrogênio localizada no laboratório CERN. No CERN, antiátomos de hidrogênio são criados ao se misturar cerca de 105 antiprótons do Desacelerador de Antipróton com 3x106 pósitrons de um acumulador. Os antihidrogênios criados são acumulados no ALPHA-2, onde ficam presos no vácuo através de fortes campos magnéticos, impedindo-os de se aniquilares com átomos de hidrogênio no ambiente. Levam várias horas para se acumular cerca de 1000 anti-átomos de hidrogênio.

          Considerando uma distribuição térmica com a energia cinética média do sistema resfriado, a temperatura da amostra de anti-átomos de hidrogênio alcançou 0,05 K no experimento, muito próximo do zero absoluto (0 K). 

         Essa conquista irá permitir uma melhor caracterização das propriedades da antimatéria, e talvez pode abrir um caminho para responder de forma definitiva o mistério da assimetria matéria-antimatéria do Universo. 

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> RELEVANTE: As atuais teorias cosmológicas sugerem que ~94% do Universo é constituído de Energia e de Matéria Escuras. Matéria normal (bariônica) e a associada antimatéria correspondem apenas a algo em torno de 6%. Para mais informações, acesse: Matéria Escura, Energia Escura e a Massa Negativa

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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS

  1. https://www.nature.com/articles/s41586-021-03289-6 
  2. https://home.cern/science/physics/antimatter 
  3. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269320303786
  4. https://www.nature.com/articles/s41586-021-03282-z
  5. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0
  6. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2020/03/048/meta
  7. https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaay9672
  8. Kalhor, Bahram and Mehrparvar, Farzaneh, Where is Antimatter? (April 20, 2020). https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3588471
  9. https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5131273
  10. Dove et al. (2021). The asymmetry of antimatter in the proton. Nature 590, 561–565. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03282-z
  11. LHCb collaboration (2022). Precise determination of the B0s–B¯¯¯¯0s oscillation frequency. Nature Physics 18, 1–5. https://doi.org/10.1038/s41567-021-01394-x
  12. Borchert et al. (2022). A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge–mass ratio. Nature 601, 53–57. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04203-w
  13. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.012008
  14. Sugimoto et al. (2023). Positron Generation and Acceleration in a Self-Organized Photon Collider Enabled by an Ultraintense Laser Pulse. Physical Review Letters, 131, 065102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.065102
  15. Hou et al. (2023). Measurement of parity-odd modes in the large-scale 4-point correlation function of Sloan Digital Sky Survey Baryon Oscillation Spectroscopic Survey twelfth data release CMASS and LOWZ galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 522, Issue 4, Pages 5701–5739. https://doi.org/10.1093/mnras/stad1062
  16. Anderson et al. (2023). Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter. Nature 621, 716–722. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1