.
Por que o universo contém matéria e (virtualmente) nenhuma antimatéria? A colaboração internacional de pesquisa BASE na Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) em Genebra, liderada pelo Professor Dr. Stefan Ulmer da Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), alcançou um avanço experimental neste contexto. Ela pode contribuir para medir a massa e o momento magnético dos antiprótons com mais precisão do que nunca — e, assim, identificar possíveis assimetrias matéria-antimatéria. A BASE desenvolveu uma armadilha, que pode resfriar antiprótons individuais muito mais rapidamente do que no passado, como os pesquisadores agora explicam no periódico científico Cartas de revisão física.
Após o Big Bang, há mais de 13 bilhões de anos, o universo estava cheio de radiação de alta energia, que gerava constantemente pares de partículas de matéria e antimatéria, como prótons e antiprótons. Quando um par desses colide, as partículas são aniquiladas e convertidas em energia pura novamente. Então, no geral, exatamente as mesmas quantidades de matéria e antimatéria devem ser geradas e aniquiladas novamente, o que significa que o universo deve ser em grande parte sem matéria como consequência.
No entanto, há claramente um desequilíbrio — uma assimetria — já que objetos materiais existem. Uma quantidade minúscula de mais matéria do que antimatéria foi gerada — o que contradiz o modelo padrão da física de partículas. Os físicos, portanto, têm buscado expandir o modelo padrão por décadas. Para esse fim, eles também precisam de medições extremamente precisas de parâmetros físicos fundamentais.
Este é o ponto de partida para a colaboração BASE (“Baryon Antibaryon Symmetry Experiment”). Ela envolve as universidades em Düsseldorf, Hanover, Heidelberg, Mainz e Tóquio, o Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Zurique e as instalações de pesquisa no CERN em Genebra, o GSI Helmholtz Centre em Darmstadt, o Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, o Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB) em Braunschweig e o RIKEN em Wako/Japão.
“A questão central que buscamos responder é: As partículas de matéria e suas partículas de antimatéria correspondentes pesam exatamente o mesmo e têm exatamente os mesmos momentos magnéticos, ou há diferenças minúsculas?” explica o professor Stefan Ulmer, porta-voz da BASE. Ele é professor no Instituto de Física Experimental da HHU e também conduz pesquisas no CERN e no RIKEN.
Os físicos querem fazer medições de altíssima resolução do chamado spin-flip — transições quânticas do spin do próton — para antiprótons individuais, ultrafrios e, portanto, de energia extremamente baixa; ou seja, a mudança na orientação do spin do próton. “A partir das frequências de transição medidas, podemos, entre outras coisas, determinar o momento magnético dos antiprótons — seus minúsculos ímãs de barra internos, por assim dizer”, explica Ulmer, acrescentando: “O objetivo é ver com um nível de precisão sem precedentes se esses ímãs de barra em prótons e antiprótons têm a mesma força.”
Preparar antiprótons individuais para as medições de uma forma que permita que tais níveis de precisão sejam alcançados é uma tarefa experimental extremamente demorada. A colaboração BASE agora deu um passo decisivo à frente nesse sentido.
A Dra. Barbara Maria Latacz do CERN e autora principal do estudo que agora foi publicado como uma “sugestão do editor” na Physical Review Letters, diz: “Precisamos de antiprótons com uma temperatura máxima de 200 mK, ou seja, partículas extremamente frias. Esta é a única maneira de diferenciar entre vários estados quânticos de spin. Com técnicas anteriores, levava 15 horas para resfriar os antiprótons, que obtemos do complexo acelerador do CERN, a esta temperatura. Nosso novo método de resfriamento encurta este período para oito minutos.”
Os pesquisadores conseguiram isso combinando duas chamadas armadilhas de Penning em um único dispositivo, uma “armadilha dupla de resfriamento do daemon de Maxwell”. Essa armadilha torna possível preparar somente os antiprótons mais frios em uma base direcionada e usá-los para a medição subsequente de spin-flip; partículas mais quentes são rejeitadas. Isso elimina o tempo necessário para resfriar os antiprótons mais quentes.
O tempo de resfriamento significativamente menor é necessário para obter as estatísticas de medição necessárias em um período de tempo significativamente menor, de modo que as incertezas de medição possam ser reduzidas ainda mais. Latacz: “Precisamos de pelo menos 1.000 ciclos de medição individuais. Com nossa nova armadilha, precisamos de um tempo de medição de cerca de um mês para isso — em comparação com quase dez anos usando a técnica antiga, o que seria impossível de realizar experimentalmente.”
Ulmer: “Com a armadilha BASE, já conseguimos medir que os momentos magnéticos dos prótons e antiprótons diferem em no máximo um bilionésimo — estamos falando de 10-9. Conseguimos melhorar a taxa de erro da identificação do spin em mais de um fator de 1.000. Na próxima campanha de medição, esperamos melhorar a precisão do momento magnético para 10-10.”
Professor Ulmer sobre planos para o futuro: “Queremos construir uma armadilha de partículas móvel, que podemos usar para transportar antiprótons gerados no CERN em Genebra para um novo laboratório na HHU. Isso é configurado de tal forma que podemos esperar melhorar a precisão das medições em pelo menos um fator adicional de 10.”
Contexto: Armadilhas para partículas fundamentais
As armadilhas podem armazenar partículas fundamentais eletricamente carregadas individuais, suas antipartículas ou mesmo núcleos atômicos por longos períodos de tempo usando campos magnéticos e elétricos. Períodos de armazenamento de mais de dez anos são possíveis. Medições de partículas direcionadas podem então ser feitas nas armadilhas.
Existem dois tipos básicos de construção: As chamadas armadilhas de Paul (desenvolvidas pelo físico alemão Wolfgang Paul na década de 1950) usam campos elétricos alternados para reter partículas. As “armadilhas de Penning” desenvolvidas por Hans G. Dehmelt usam um campo magnético homogêneo e um campo quadrupolo eletrostático. Ambos os físicos receberam o Prêmio Nobel por seus desenvolvimentos em 1989.
.
