Há muitas experiências que os físicos gostariam de realizar com
antimatéria, desde estudar suas propriedades com medições
espectroscópicas até testar como ela interage com gravidade. Mas, para
realizar estes experimentos, os cientistas primeiro precisam ter uma boa
quantia de antimatéria.
Claro, eles não podem encontrá-la na natureza (devido à tendência da
antimatéria de aniquilar-se em uma explosão de energia quando entra em
contato com a matéria comum), e sua criação no laboratório provou ser
muito tecnicamente desafiadora pelas mesmas razões.
Agora, em um novo estudo publicado na revista “Physical Review
Letters”, Alisher S. Kadyrov e sua equipe da Universidade de Curtin, em
Perth, na Austrália, e da Universidade de Swansea, no Reino Unido,
teoricamente encontraram um método para aumentar a taxa de produção de
anti-hidrogênio em muitas vezes. Eles esperam que sua descoberta vá
orientar os programas de anti-hidrogênio a alcançarem uma produção de
grandes quantidades deste material por longos períodos de confinamento e
em temperaturas frias, como exigido por futuras experiências de
pesquisa.
“As leis da física preveem que quantidades iguais de matéria e
antimatéria foram criadas após o Big Bang”, conta Kadyrov, professor
associado da Universidade de Curtin. “Um dos mistérios da ciência é:
para onde foi toda a antimatéria? Para desvendar esse mistério, os
cientistas do CERN [Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear]
pretendem fazer experimentos gravitacionais e espectroscópicos com a
antimatéria. O exemplo mais simples é o anti-hidrogênio. No entanto, é
desafiador e caro criar e estudar anti-hidrogênio no laboratório”.
Mais fácil de reproduzir
O anti-hidrogênio é uma boa forma de antimatéria para os cientistas
estudarem em parte porque é eletricamente neutro: ele consiste de um
antipróton (um próton com carga negativa) e um pósitron ou antielétron
(um elétron de carga positiva). Como é feito de apenas duas
antipartículas, o anti-hidrogênio também é um pouco mais fácil de
produzir do que anti-átomos maiores.
Em 2002, cientistas produziram anti-hidrogênio no primeiro
experimento dedicado à produção de anti-hidrogênio no CERN,. Em 2010,
confinaram anti-hidrogênio em armadilhas por até 30 minutos.
Eventualmente, no entanto, o anti-hidrogênio se aniquila, por exemplo,
por meio de impacto com as paredes do aparelho experimental ou
interagindo com gases de fundo.
Existem algumas maneiras diferentes para produzir anti-hidrogênio no
laboratório, as quais envolvem colidir ou dispersar uma das outras. No
novo estudo, os físicos focaram na reação em que um antipróton é
dispersado de um positrônio, que é um estado de ligação que consiste de
um pósitron e um elétron comum. Num certo sentido, o positrônio pode ser
pensado como um átomo de hidrogênio em que o próton foi substituído por
um pósitron. Até agora, a reação de espalhamento antipróton-positrônio
foi investigada principalmente quando o positrônio está no seu estado
fundamental.
Melhores resultados com menos energia
No novo estudo, os cientistas mostraram que, teoricamente, colisões
de antiprótons com positrônio em um estado animado em vez do estado
fundamental podem aumentar a produção de anti-hidrogênio de forma
significativa, em particular nas energias mais baixas.
“Nossos cálculos mostram que uma maneira muito eficiente de produzir
anti-hidrogênio é reunir antiprótons lentos com positrônio, que foi
preparado em um estado animado”, disse Kadyrov. “Acontece que a formação
de anti-hidrogênio aumenta em várias ordens de magnitude em estados
excitados quando comparado ao estado fundamental devido ao comportamento
de baixa energia inesperada revelada em nossos cálculos”.
Pela primeira vez, esses resultados teóricos permitem estimativas
realistas de taxas de formação de anti-hidrogênio via espalhamento
antipróton-positrônio em baixas energias. Como energias mais baixas são
mais importantes em experimentos do que energias mais elevadas, os
cientistas esperam que este método ofereça uma maneira prática de criar
anti-hidrogênio frio, o que poderia, então, ser usado para testar as
propriedades fundamentais da anti-matéria.
De acordo com Kadyrov, diversos grupos de cientistas colaboradores do
CERN estão trabalhando na produção e captura de anti-hidrogênio em
quantidades suficientes para experiências com propriedades
espectroscópicas e gravitacionais. “Nós acreditamos que o mecanismo
eficiente para a formação de anti-hidrogênio que nossa pesquisa revelou
pode ser usado para facilitar estudos”.
“Atualmente, o positrônio pode ser animado para estados de alta
energia, conhecidos como estados Rydberg”, disse Kadyrov. “Em seguida,
queremos investigar colisões antiprótons com positrônio em tal estado.
Dada a magnitude da melhoria que temos para os estados excitados mais
baixos, pode-se esperar que a melhoria correspondente seja enorme. Isso,
então, poderia abrir um caminho muito promissor para a produção de
feixes de anti-hidrogênio de baixa energia para experimentos de
espectroscopia, por exemplo, para medições de divisão hiperfinas em
anti-hidrogênio”.
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