Físicos capturaram as primeiras impressões digitais espectrais da antimatéria

Já se passaram cerca de nove meses desde que uma equipe de pesquisadores alcançou o objetivo de medir o espectro da luz emitida por partículas espelhadas de hidrogênio – as anti-hidrogênio.

Na época, os estudos apenas começavam. Agora, os pesquisadores têm evidências detalhadas da estrutura do anti-hidrogênio obtidas por meio da espectroscopia, definindo um marco em nossa busca para determinar por que existe algo no Universo em vez de haver nada.

Semelhanças

Dirigido por pesquisadores canadenses sob a nomenclatura de ALPHA Collaboration, a primeira observação detalhada da estrutura de anti-hidrogênio “caseira” mostrou que suas linhas espectrais são praticamente idênticas às do hidrogênio.

Se elas fossem ao menos um pouco diferentes, a história seria outra – uma que anunciasse uma ruptura em nossos modelos do Universo que poderiam revelar por que as coisas são como são.

Um dos grandes mistérios atuais da física moderna é a questão de por que tudo parece ser feito de apenas um tipo de matéria, quando, na verdade, existem dois tipos.

O Modelo Padrão de física prevê que todas as partículas têm algo próximo de uma irmã gêmea: uma partícula correspondente que traz propriedades espelhadas em relação à sua irmã, como uma carga oposta.

Por exemplo, o elétron com carga negativa possui um comparsa de carga positiva chamado pósitron – sua antipartícula.

Essas partículas se formam juntas, como um par. Além disso, se tipos opostos de partículas se encontram, elas se anulam em chamas de radiação gama.

Isso levanta a questão de por que há muito de um tipo de matéria, e não apenas um universo vazio zumbindo com radiação.

Após o Big Bang

Se houvesse algum tipo de desequilíbrio na aparente simetria do Universo, enfrentaríamos um longo caminho para explicar por que, depois do Big Bang, terminamos com uma quantidade de matéria ao redor que foi suficiente para construir dois trilhões de galáxias.

Procurar uma diferença entre esses tipos de matéria é um ponto de partida tão válido quanto nenhum outro.

Procedimento

O primeiro passo é garantir o recebimento suficiente de antimatéria num mesmo lugar, o que não é uma tarefa fácil.

A ALPHA Collaboration conseguiu fazer isso por meio do Decelerator Antiproton do CERN, produzindo cerca de 90 mil antiprotons.

Para produzir o elemento anti-hidrogênio, eles precisaram acoplar cada antiproton com um pósitron.

Mesmo depois de criar 1,6 milhões de pósitrons, os pesquisadores só conseguiram produzir cerca de 25 mil átomos de anti-hidrogênio.

Um punhado relativo deles foi lento o suficiente para prender-se dentro de um campo de força especial que os impediu de tocar a matéria “normal”. Depois, desapareceram em um piscar de olhos.

“Nós temos que mantê-los separados”, diz a pesquisadora Justine Munich.

“Não podemos simplesmente colocar nossos antiátomos em um recipiente comum. Eles devem ser presos ou mantidos dentro de uma garrafa magnética especial”.

Estudo da antimatéria

Ao todo, a equipe conseguiu capturar e detectar apenas 194 átomos ao longo de uma série de testes, o que dá uma ideia das dificuldades envolvidas ao estudar mesmo as formas mais simples de antimatéria.

Felizmente, foi o bastante irradiar uma amostra de anti-hidrogênio via microondas de frequências variáveis ​​e observar sua reação.

Quando uma unidade de radiação eletromagnética, como um microondas, atinge um elétron, ele a absorve e muda de posição. Ao saltar para trás, ele “cospe” sua própria onda luminosa.

Diferentes elementos absorvem e emitem seu próprio espectro de luz em comprimentos de onda específicos, produzindo um padrão que revela aos físicos muito sobre a estrutura do átomo que os produz.

“As linhas espectrais são como impressões digitais. Cada elemento tem seu próprio padrão único”, diz o pesquisador Michael Hayden, da Universidade Simon Fraser.

Teoricamente, por serem espelhos de um mesmo elemento, hidrogênio e anti-hidrogênio devem manifestar e compartilhar esse padrão.

Semelhanças

Pela primeira vez, os pesquisadores encontraram uma maneira de capturar detalhes mais específicos das linhas espectrais do anti-hidrogênio. Elas mostram que estes são, de fato, idênticos ao hidrogênio.

A irradiação dos átomos de anti-hidrogênio via microondas permitiu que os físicos determinassem uma suave impressão digital de forma bastante indireta, usando mudanças específicas no anti-hidrogênio que os faziam sair do frasco magnético para ajustar corretamente os cálculos em suas linhas espectrais.

“A espectroscopia é uma ferramenta muito importante em todas as áreas da física. Agora estamos entrando em uma nova era à medida que estendemos a espectroscopia à antimatéria”, diz Jeffrey Hangst, porta-voz do experimento ALPHA.

“Com nossas técnicas singulares, agora podemos observar a estrutura detalhada de átomos de antimatéria em algumas horas, em vez de semanas, algo que nem sequer poderíamos imaginar há alguns anos”.

Pesquisas anteriores sugeriram que isso era verdadeiro, mas os detalhes não eram suficientemente claros para serem conclusivos.

Agora, a comparação mostrou a eficácia de usar espectroscopia, muito mais do que resultar em nova física monumental. Mas novas ferramentas, como estas, serão importantes no estudo da antimatéria no futuro.

“Ao estudar as propriedades dos anti átomos, esperamos aprender mais sobre o Universo em que vivemos”, diz Hayden.
“Nós podemos fabricar antimatéria no laboratório, mas isso não parece existir naturalmente exceto em quantidades muito pequenas. Por que isso? Nós simplesmente não sabemos. Mas talvez o anti-hidrogênio possa nos dar algumas pistas”.

Esta pesquisa foi publicada na Nature. [LiveScience]

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