Cientistas descobrem método para fabricar grandes quantidades de antimatéria
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”. [Phys.org]
