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Se você deixasse cair a antimatéria, ela cairia ou subiria? Numa experiência de laboratório única, os investigadores observaram agora o caminho descendente percorrido pelos átomos individuais de anti-hidrogénio, fornecendo uma resposta definitiva: a antimatéria cai.
Ao confirmar que a antimatéria e a matéria regular são atraídas gravitacionalmente, a descoberta também exclui a repulsão gravitacional como a razão pela qual a antimatéria está em grande parte ausente do universo observável.
Pesquisadores da colaboração internacional Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) do CERN, na Suíça, publicaram suas descobertas hoje na revista Naturezaum esforço apoiado por mais de uma dúzia de países e instituições privadas, incluindo os EUA, através do programa conjunto da Fundação Nacional de Ciência dos EUA/Departamento de Energia, Parceria em Ciência e Engenharia Básica de Plasma.
“O sucesso da colaboração ALPHA é uma prova da importância do trabalho em equipe entre continentes e comunidades científicas”, diz Vyacheslav “Slava” Lukin, diretor de programa da Divisão de Física da NSF. “Compreender a natureza da antimatéria pode ajudar-nos não só a compreender como o nosso universo surgiu, mas pode permitir novas inovações nunca antes consideradas possíveis – como a tomografia por emissão de pósitrons (PET) que salvou muitas vidas ao aplicar o nosso conhecimento de antimatéria para detectar tumores cancerígenos no corpo.”
O gêmeo indescritível e volátil da matéria
Além dos imaginados motores de dobra alimentados por antimatéria e dos torpedos de fótons de Star Trek, a antimatéria é completamente real, mas misteriosamente escassa.
“A teoria da relatividade geral de Einstein diz que a antimatéria deveria se comportar exatamente da mesma forma que a matéria”, disse Jonathan Wurtele, físico de plasma da Universidade da Califórnia, Berkeley e membro da colaboração ALPHA. “Muitas medições indiretas indicam que a gravidade interage com a antimatéria como esperado”, acrescentou, “mas até ao resultado de hoje, ninguém tinha realmente realizado uma observação direta que pudesse excluir, por exemplo, o movimento do anti-hidrogénio para cima em vez de para baixo num campo gravitacional. “
Nossos corpos, a Terra e quase tudo o que os cientistas conhecem no universo são esmagadoramente feitos de matéria regular que consiste em prótons, nêutrons e elétrons, como átomos de oxigênio, carbono, ferro e outros elementos da tabela periódica.
A antimatéria, por outro lado, é gêmea da matéria normal, embora com algumas propriedades opostas. Por exemplo, os antiprótons têm carga negativa, enquanto os prótons têm carga positiva. Os antielétrons (também conhecidos como pósitrons) são positivos, enquanto os elétrons são negativos.
No entanto, talvez o mais desafiador para os experimentadores, “assim que a antimatéria toca a matéria, ela explode”, disse Joel Fajans, membro da colaboração ALPHA e físico de plasma da Universidade da Califórnia, Berkeley.
A massa combinada de matéria e antimatéria é transformada inteiramente em energia numa reação tão poderosa que os cientistas a chamam de aniquilação.
“Para uma determinada massa, tais aniquilações são a forma mais densa de libertação de energia que conhecemos”, acrescentou Fajans.
Mas, a quantidade de antimatéria usada no experimento ALPHA é tão pequena que a energia criada pelas aniquilação de antimatéria/matéria é perceptível apenas por detectores sensíveis.
“Ainda assim, temos de manipular a antimatéria com muito cuidado ou iremos perdê-la”, disse Fajans.
Soltando um banger de antimatéria
“Em termos gerais, estamos produzindo antimatéria e fazendo um experimento do tipo Torre Inclinada de Pisa”, disse Wurtele, referindo-se ao ancestral intelectual mais simples do experimento, o talvez apócrifo experimento de Galileu do século 16, demonstrando aceleração gravitacional idêntica de dois objetos lançados simultaneamente. de volume semelhante, mas de massa diferente. “Estamos liberando a antimatéria e vendo se ela sobe ou desce.”
Para o experimento ALPHA, o anti-hidrogênio estava contido em uma câmara de vácuo cilíndrica alta com uma armadilha magnética variável, chamada ALPHA-g. Os cientistas reduziram a força dos campos magnéticos superior e inferior da armadilha até que os átomos de anti-hidrogénio pudessem escapar e a influência relativamente fraca da gravidade se tornasse aparente.
À medida que cada átomo de anti-hidrogénio escapava da armadilha magnética, tocava as paredes da câmara acima ou abaixo da armadilha e era aniquilado, o que os cientistas podiam detectar e contar.
Os pesquisadores repetiram o experimento mais de uma dúzia de vezes, variando a intensidade do campo magnético na parte superior e inferior da armadilha para descartar possíveis erros. Eles observaram que quando os campos magnéticos enfraquecidos eram precisamente equilibrados na parte superior e inferior, cerca de 80% dos átomos de anti-hidrogénio eram aniquilados por baixo da armadilha – um resultado consistente com a forma como uma nuvem de hidrogénio regular se comportaria nas mesmas condições.
Assim, a gravidade estava fazendo com que o anti-hidrogênio caísse.
O mistério matéria/antimatéria
Apesar de algumas fontes modestas de antimatéria – como os pósitrons emitidos pela decomposição do potássio, mesmo dentro de uma banana – os cientistas não veem muita dela no universo. No entanto, as leis da física prevêem que a antimatéria deveria existir em quantidades aproximadamente iguais às da matéria normal. Os cientistas chamam esse enigma de problema da bariogênese.
Uma explicação potencial é que a antimatéria foi repelida gravitacionalmente pela matéria normal durante o big bang, embora as novas descobertas sugiram que essa teoria já não parece plausível.
“Descartámos a possibilidade de a antimatéria ser repelida pela força gravitacional em vez de ser atraída”, disse Wurtele. Isso não significa que não haja diferença na força gravitacional sobre a antimatéria, acrescenta. Somente uma medição mais precisa dirá.
Os investigadores da colaboração ALPHA continuarão a investigar a natureza do anti-hidrogénio. Além de refinar a medição do efeito da gravidade, eles também estudam como o anti-hidrogênio interage com a radiação eletromagnética por meio de espectroscopia.
“Se o anti-hidrogénio fosse de alguma forma diferente do hidrogénio, isso seria algo revolucionário porque as leis físicas, tanto na mecânica quântica como na gravidade, dizem que o comportamento deveria ser o mesmo”, disse Wurtele. “No entanto, não se sabe até que se faça o experimento.”
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