A observação mais pesada de antimatéria até agora ajustará os números para a busca pela matéria escura

Em experimentos no Brookhaven National Lab nos EUA, uma equipe internacional de físicos detectou os “anti-núcleos” mais pesados ​​já vistos. Os objetos minúsculos e de vida curta são compostos de partículas exóticas de antimatéria.

As medições da frequência com que essas entidades são produzidas e de suas propriedades confirmam nossa compreensão atual da natureza da antimatéria e ajudarão na busca por outro tipo misterioso de partículas — a matéria escura — no espaço profundo.

Os resultados foram publicados em 21 de agosto em Natureza.

Um mundo espelho perdido

A ideia de antimatéria tem menos de um século. Em 1928, o físico britânico Paul Dirac desenvolveu uma teoria muito precisa para o comportamento dos elétrons que fez uma previsão perturbadora: a existência de elétrons com energia negativa, o que tornaria impossível o universo estável em que vivemos.

Felizmente, os cientistas encontraram uma explicação alternativa para esses estados de “energia negativa”: antielétrons, ou gêmeos do elétron com carga elétrica oposta. Os antielétrons foram devidamente descobertos em experimentos em 1932, e desde então os cientistas descobriram que todas as partículas fundamentais têm seus próprios equivalentes de antimatéria.

No entanto, isso levanta outra questão. Antielétrons, antiprótons e antinêutrons devem ser capazes de se combinar para formar antiátomos inteiros, e de fato antiplanetas e antigalaxias. Além do mais, nossas teorias do Big Bang sugerem que quantidades iguais de matéria e antimatéria devem ter sido criadas no começo do universo.

Mas para onde quer que olhemos, vemos matéria — e apenas quantidades insignificantes de antimatéria. Para onde foi a antimatéria? Essa é uma questão que tem incomodado os cientistas por quase um século.

Fragmentos de átomos esmagados

Os resultados de hoje vêm do experimento STAR, localizado no Colisor de Íons Pesados ​​Relativísticos no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos EUA.

O experimento funciona ao esmagar os núcleos de elementos pesados, como o urânio, uns contra os outros em velocidades extremamente altas. Essas colisões criam pequenas e intensas bolas de fogo que replicam brevemente as condições do universo nos primeiros milissegundos após o Big Bang.

Cada colisão produz centenas de novas partículas, e o experimento STAR pode detectar todas elas. A maioria dessas partículas são entidades instáveis ​​e de vida curta chamadas píons, mas de vez em quando algo mais interessante aparece.

No detector STAR, as partículas passam rapidamente por um grande recipiente cheio de gás dentro de um campo magnético — e deixam rastros visíveis em seu rastro. Ao medir a “espessura” dos rastros e o quanto eles se curvam no campo magnético, os cientistas podem descobrir que tipo de partícula os produziu.

Matéria e antimatéria têm cargas opostas, então seus caminhos se curvam em direções opostas no campo magnético.

‘Anti-hiper-hidrogênio’

Na natureza, os núcleos dos átomos são feitos de prótons e nêutrons. No entanto, também podemos fazer algo chamado “hipernúcleo”, no qual um dos nêutrons é substituído por um hiperon — uma versão um pouco mais pesada do nêutron.

O que eles detectaram no experimento STAR foi um hipernúcleo feito de antimatéria, ou um anti-hipernúcleo. Na verdade, era o núcleo de antimatéria mais pesado e exótico já visto.

Para ser específico, ele consiste de um antipróton, dois antinêutrons e um anti-hiperônio, e tem o nome de anti-hiper-hidrogênio-4. Entre os bilhões de píons produzidos, os pesquisadores do STAR identificaram apenas 16 núcleos anti-hiper-hidrogênio-4.

Resultados confirmam previsões

O novo artigo compara esses novos e mais pesados ​​antinúcleos, bem como uma série de outros antinúcleos mais leves, com suas contrapartes na matéria normal. Os hipernúcleos são todos instáveis ​​e decaem após cerca de um décimo de nanossegundo.

Comparando os hipernúcleos com seus anti-hipernúcleos correspondentes, vemos que eles têm tempos de vida e massas idênticos — o que é exatamente o que esperaríamos da teoria de Dirac.

As teorias existentes também fazem um bom trabalho ao prever como os anti-hipernúcleos mais leves são produzidos com mais frequência, e os mais pesados, mais raramente.

Um mundo de sombras também?

A antimatéria também tem ligações fascinantes com outra substância exótica, a matéria escura. A partir de observações, sabemos que a matéria escura permeia o universo e é cinco vezes mais prevalente do que a matéria normal — mas nunca fomos capazes de detectá-la diretamente.

Algumas teorias da matéria escura preveem que se duas partículas de matéria escura colidirem, elas se aniquilarão e produzirão uma explosão de partículas de matéria e antimatéria. Isso produziria então anti-hidrogênio e antihélio — e um experimento chamado Alpha Magnetic Spectrometer a bordo da Estação Espacial Internacional está procurando por isso.

Se observássemos antihélio no espaço, como saberíamos se ele foi produzido por matéria escura ou matéria normal? Bem, medições como esta nova do STAR nos permitem calibrar nossos modelos teóricos para quanta antimatéria é produzida em colisões de matéria normal. Este último artigo fornece uma riqueza de dados para esse tipo de calibração.

Questões básicas permanecem

Aprendemos muito sobre antimatéria no último século. No entanto, ainda não estamos mais perto de responder à questão de por que vemos tão pouco dela no universo.

O experimento STAR está longe de ser o único na busca para entender a natureza da antimatéria e para onde tudo foi. O trabalho em experimentos como LHCb e Alice no Large Hadron Collider na Suíça aumentará nossa compreensão ao procurar sinais de diferenças no comportamento entre matéria e antimatéria.

Talvez até 2032, quando chegar o centenário da descoberta inicial da antimatéria, teremos feito alguns avanços na compreensão do lugar dessa curiosa matéria-espelho no universo — e até saberemos como ela está conectada ao enigma da matéria escura.

Este artigo foi republicado do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.