Experimento com antimatria produz resultado inesperado

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Redação do Site Inovação Tecnológica – 03/05/2022

tomos hbridos de matria e antimatria

Uma equipe de fsicos do CERN e do Instituto Max Planck, na Alemanha, descobriu que um tomo hbrido de matria e antimatria se comporta de maneira inesperada quando ele submerso em hlio superfluido.

Enquanto o mergulho em um lquido suficiente para alterar a forma como a maioria dos tomos responde, os tomos de hlio hbrido mantiveram uma uniformidade para a qual ainda no temos uma boa explicao.

O resultado foi to inesperado que a equipe afirmou ter passado anos verificando seu experimento e tentando encontrar explicaes alternativas para o resultado.

Mas de nada adiantou: Todas as vezes que o experimento foi refeito, os tomos hbridos continuaram respondendo de maneira precisa e sensvel luz do laser, apesar do lquido denso que os cercava.

Embora ainda carea de explicaes, o fenmeno real e, como tal, abre um novo caminho para usar a antimatria para estudar as propriedades da matria condensada, ou para procurar antimatria em raios csmicos e em outros lugares.

Diferenas entre matria e antimatria

Segundo o Modelo Padro da fsica de partculas – a base do entendimento atual dos cientistas sobre a estrutura do Universo e as foras que agem dentro dele – exige que as partculas e suas antipartculas difiram no sinal de sua carga eltrica. Um antiprton – a contrapartida do prton, que positivo – tem uma carga negativa. De acordo com o Modelo Padro as outras propriedades so idnticas.

“Experincias com antimatria so particularmente empolgantes no que diz respeito s leis fundamentais da fsica,” disse o professor Masaki Hori, coordenador da equipe. “Em nossos experimentos anteriores, no encontramos nenhuma evidncia de que as massas de prtons e dos antiprtons difiram minimamente. Se qualquer diferena pudesse ser detectada, por menor que fosse, isso abalaria os fundamentos da nossa viso atual do mundo.”

Mas talvez os mtodos experimentais disponveis no sejam sensveis o suficiente para detectar diferenas sutis que possam existir, por isso os fsicos trabalham incansavelmente no refinamento de tcnicas para examinar as caractersticas das antipartculas com preciso cada vez maior, o que inclui fazer as partculas de antimatria levitarem magneticamente em cmaras de vcuo e confinar antiprtons em armadilhas de ons, feitas de campos eltricos e magnticos.

O que os pesquisadores fizeram agora foi usar um tomo hbrido de hlio para comparar com preciso indita as massas dos eltrons e dos antiprtons. Para isso, eles criaram um tomo hbrido substituindo os eltrons de um tomo de hlio por antiprtons, que so muito mais lentos e, portanto, ideais para viabilizar essas comparaes com alta preciso.

Os pesquisadores misturaram os lentos antiprtons com hlio lquido resfriado a uma temperatura de alguns graus acima do zero absoluto, prendendo uma pequena parte dos antiprtons em tomos de hlio. O antiprton substituiu um dos dois eltrons que normalmente cercam um ncleo atmico de hlio, formando uma estrutura que permaneceu estvel por tempo suficiente para ser estudada espectroscopicamente – verificar a reao do tomo a um feixe de luz que incide sobre ele.

Surpresa nos resultados

O problema que, quando a equipe observou os tomos hbridos usando duas frequncias de luz diferentes, os resultados no foram os previstos pela teoria. O normal seria que as linhas espectrais dos tomos variassem enormemente – comum ver tomos alterando sua resposta luz de tal forma que seu espectro de ressonncia se amplia em at um milho de vezes.

“Se a temperatura casse abaixo da temperatura crtica de 2,2 Kelvin – 2,2 graus Celsius acima do zero absoluto – na qual o hlio entra em um estado superfluido, a forma das linhas espectrais mudava repentinamente. As linhas, que eram muito largas em temperaturas mais altas, tornaram-se estreitas,” contou Anna Str, responsvel pelos experimentos.

Na analogia mais tradicional, quando os tomos so comparados a bolas de bilhar, o normal que, ao mergulhar em um lquido, os tomos comecem a trombar com inmeros outros, o que mexe com suas caractersticas, mostradas pela sua linha espectral de resposta ao laser. Mas o que aconteceu com os tomos hbridos de matria e antimatria que parece que eles no apenas no esto trombando com outros tomos, mas tambm que se tornaram imunes a quaisquer choques, tornando-se, de certa forma, mais “puros”.

“Como a mudana marcante nas linhas espectrais do antiprton ocorre em tal ambiente e o que acontece fisicamente no processo algo que ainda no sabemos,” disse Hori. “Ns mesmos ficamos surpresos com isso.”

Usos prticos

Mas as possibilidades oferecidas pelo efeito so de longo alcance porque o estreitamento das linhas de ressonncia to drstico que torna-se possvel delinear a estrutura hiperfina, que uma consequncia da influncia mtua do eltron e do antiprton no tomo. Isso indica que os pesquisadores poderiam criar em hlio superfluido outros tomos de hlio hbrido com diferentes partculas de antimatria e partculas exticas para estudar em detalhes sua resposta luz do laser e medir suas massas.

A equipe j demonstrou isso estudando um pon, ou mson pi, para substituir o eltron, criando um novo tipo de tomo hbrido de matria e antimatria. Agora eles esto planejando fazer o mesmo usando o kon, ou mson K.

As linhas espectrais muito ntidas tambm podem ser teis na deteco de antiprtons e antideuterons na radiao csmica, algo que os fsicos vm tentando fazer h dcadas, por exemplo, com o Espectrmetro Magntico Alfa (AMS-2 – Alpha Magnetic Spectrometer-2), que est procurando por antimatria a bordo da Estao Espacial Internacional.

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