Mensageiro Sideral

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Salvador Nogueira é jornalista de ciência e autor de 11 livros

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A primeira medida espectral do anti-hidrogênio

Por Salvador Nogueira

Pela primeira vez, um grupo internacional de cientistas conseguiu fazer uma medição do espectro — a “assinatura de luz” — de um átomo de anti-hidrogênio.

O resultado, que tem participação brasileira, acaba de ser publicado no periódico “Nature” e abre um novo caminho para investigar um dos maiores mistérios do cosmos: por que ele é feito todo de matéria, e não de antimatéria.

O experimento Alpha, instalado no Cern, o centro europeu de física de partículas, se especializou em fabricar e aprisionar átomos de anti-hidrogênio, uma versão “espelhada” do clássico átomo de hidrogênio.

Estamos falando do átomo mais simples que existe, composto por apenas um próton e um elétron. Em sua versão de antimatéria, é um antipróton (que, ao contrário do próton, tem carga negativa) rodeado por um antielétron (também chamado de pósitron, com carga positiva).

Originalmente uma previsão teórica, as antipartículas se mostraram realidade nos experimentos de aceleradores de partículas. Mas uma coisa é criá-las, e outra muito mais difícil é aprisoná-las. Como elas têm carga elétrica invertida, quando matéria e antimatéria entram em contato, o que temos é um “cabum” — aniquilação completa de ambas, com conversão total em energia.

Por isso, o único modo de capturar antimatéria quando todos os seus equipamentos são feitos de matéria é com campos de força — no caso, o Alpha usa poderosos campos magnéticos para manter os anti-átomos presos, sem jamais tocar as paredes do experimento. Torna-se possível, portanto, investigar em detalhes o comportamento dessas antipartículas — e, com isso, explicar a própria natureza do Universo.

O MISTÉRIO DO BIG BANG
Já temos uma boa noção de como o Universo evoluiu nos últimos 13,8 bilhões de anos, mas um dos enigmas remanescentes é o porquê de ele ser feito todo de matéria. O processo de expansão e resfriamento cósmicos que sucedeu o chamado Big Bang explica como apareceram as partículas elementares, mas com um detalhe tortuoso: se matéria e antimatéria fossem exatamente iguais, salvo pelo espelhamento, deveriam ter sido fabricadas em quantidades exatamente iguais.

Ora, se esse foi o caso, ambas teriam se aniquilado ali mesmo e acabaríamos com um Universo feito puramente por um mar sem graça de fótons — as partículas de energia resultantes da aniquilação total. Mas não foi esse o caso; acabamos com um Universo rico em partículas, todas elas de matéria, e nada de antimatéria.

Ou seja, em algum lugar lá nas profundezas das últimas casas decimais, matéria e antimatéria devem ter um comportamento diferente. E isso deve explicar o porquê de um excesso na produção de matéria que, por sua vez, esclareça a composição final do Universo.

A dureza é que a teoria (mais especificamente o Modelo Padrão) diz que matéria e antimatéria deveriam ser rigorosamente idênticas, salvo pelo espelhamento de carga. Ou seja, em algum momento deve haver uma violação da predição teórica que explique a nossa existência. Os físicos chamam esse ponto de quebra de “violação de CPT”, uma sigla para (conjugação de) Carga, (reversão de) Paridade e (reversão de) Tempo. Até hoje, já foi observada uma pequena violação de CP, o que já sugeriria um excesso de matéria. Mas insuficiente para explicar o cosmos observado.

Em essência, esse estudo da antimatéria está atrás de evidências experimentais dessa violação mais abrangente, de CPT.

OS RESULTADOS
Graças a uma atualização do experimento Alpha, rebatizado Alpha-2, os cientistas não só conseguiram produzir e capturar de forma estável átomos de anti-hidrogênio, como também conseguiram excitá-los com laser, e assim obter uma assinatura espectral de um estado excitado do anti-hidrogênio.

A teoria predizia que essa assinatura seria exatamente igual à do hidrogênio. E a medição obtida foi… exatamente igual, até a décima casa decimal. Modelo Padrão 1, experimento 0. Até agora, nenhuma pista de diferenças entre matéria e antimatéria. Mas os pesquisadores já têm um plano para virar o jogo e matar essa charada.

“Agora é refinar as medidas a partir deste ano que vem, já em busca de uma possível violação de CPT”, explica Claudio Lenz Cesar, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, um dos co-autores do trabalho.

Claudio Lenz Cesar (à esquerda) recebe a visita de Roberto Moreno no Alpha, no Cern, em outubro (Crédito: Alpha-Brazil)
Claudio Lenz Cesar (à esquerda) recebe a visita de Moreno Veloso no Alpha, no Cern, em outubro (Crédito: Alpha-Brazil)

“Os caminhos são imediatos, pois deparamos com um monte de problemas — alguns inusitados — e aprendemos ao longo dessa rodada de 2016 a lidar com eles — esses resultados foram obtidos no final da rodada de 2016. Obviamente, algumas poucas mudanças virão no equipamento. Mas, só em ter tempo para repetir a medida em diferentes frequências — mesmo que não façamos nada de excepcionalmente novo — será suficiente para termos um espectro e assim conseguir uma precisão de partes em 1012 [décima-segunda casa decimal] — e isso já é terreno totalmente inexplorado. A partir daí, chegar a partes de 1013 é um pequeno passo, enquanto com partes em 1014 e 1015 começa a ficar mais envolvente, pois há que se trocar certas tecnologias.”

O limite de precisão do espectro do nosso hidrogênio, feito de matéria, é de 1015, então, ainda há um vasto terreno a ser coberto.

E se, ao chegarmos lá, ambos continuarem rigorosamente idênticos? E se a teoria ganhar de goleada e realmente não houver violação de CPT? “Não se tem a menor ideia”, admite Cesar. “Tudo até hoje respeita essa simetria. Mas, quando se adentra um nível de precisão ainda inexplorado, as surpresas podem aparecer. Foi assim antes, com o hidrogênio, mas não sabemos se esse ‘padrão’ vai se repetir com o anti-hidrogênio. Mas, se a CPT estiver OK, continuaremos sem explicação para nossa observação de que o Universo é composto só de matéria primordial, e não de antimatéria!”

Há, contudo, possibilidades que contornam a violação de CPT. “Outra opção seria uma violação de CP muito maior do que a já encontrada”, diz o pesquisador brasileiro. “Isso é procurado em outros experimentos do Cern. E, finalmente, uma terceira opção, mais complicada ainda, seria a existência de gravidade modificada para antimatéria, violando o princípio de equivalência de Einstein. O experimento Alpha vai se debruçar sobre a ação da gravidade sobre antimatéria no futuro próximo.”

E a empolgação da ciência é justamente essa. A cada experimento, melhoramos nossa compreensão do cosmos. Triste será o dia em que esgotaremos todos os mistérios. A boa notícia é que temos razões para apostar que esse dia nunca chegará. Cada nova resposta abre toneladas de perguntas. E assim seguimos na desafiadora aventura do conhecimento.

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