Gravidade afeta igualmente matria e antimatria

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Redação do Site Inovação Tecnológica – 05/01/2022

Antimat

Esta armadilha de Penning, a garrafa onde a antimatria fica guardada.
[Imagem: CERN]

Antimatria e gravidade

Os tomos que compem a matria normal caem, puxados pela gravidade. Ento, ser que os tomos de antimatria vo cair para cima?

Parece que no, pelo menos dentro da incerteza do experimento BASE, sigla em ingls para Experimento da Simetria Brion-Antibrion, coordenado por fsicos do Instituto Riken (Japo) e do CERN (Sua).

O experimento fez a comparao da razo carga-massa para o prton e o antiprton com a maior preciso j obtida at hoje, e concluiu que matria e antimatria respondem fora da gravidade da mesma forma.

O experimento parte de um esforo para tentar mesclar a Teoria da Relatividade, que explica a fora da gravidade como a curvatura do espao-tempo gerada por estruturas csmicas massivas, e a Mecnica Quntica, que explica o comportamento das partculas em escala atmica.

A propsito, o termo “brions”, que compe o nome do experimento, refere-se s partculas de massa elevada (brion a palavra grega para pesado), como prtons e os nutrons, que compem a maior parte da massa da matria visvel no Universo.

Assimetria matria-antimatria

Matria e antimatria esto na base de alguns dos problemas mais interessantes da Fsica. Elas so essencialmente equivalentes, exceto que, enquanto uma partcula tem uma carga positiva, sua antipartcula tem uma carga negativa. Em outros aspectos, elas parecem equivalentes.

No entanto, o Universo parece feito inteiramente de matria, com pouqussima antimatria, um problema que os fsicos chamam de “assimetria brion”. Naturalmente, cientistas de todo o mundo esto se esforando para encontrar algo diferente entre as duas, o que poderia explicar por que ns e todo o Universo existimos, sem termos sido aniquilados conforme o Big Bang criava quantidades idnticas de matria e de antimatria.

Como parte dessa busca, os fsicos exploraram se matria e antimatria interagem de maneira semelhante com a gravidade, ou se a antimatria experimentaria a gravidade de uma maneira diferente da matria – “caindo para cima”, por assim dizer – o que violaria o princpio de equivalncia fraca de Einstein.

Agora, a colaborao BASE mostrou que, dentro de limites bastante estritos, a antimatria na verdade responde gravidade da mesma maneira que a matria.

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Viso total do experimento BASE: As armadilhas de matria e antimatria ficam dentro dos cilindros vermelhos.
[Imagem: CERN]

Comparao da matria com a antimatria

O trabalho envolveu 18 meses de observaes na fbrica de antimatria do CERN. Para fazer as medies, a equipe confinou antiprtons e ons de hidrognio com carga negativa, que eles usaram como substitutos dos prtons, em uma armadilha de Penning, uma espcie de garrafa para guardar antimatria – nesse dispositivo, uma partcula segue uma trajetria cclica com uma frequncia, prxima frequncia do cclotron, que escala com a fora do campo magntico da armadilha e a relao carga-massa da partcula.

Ao injetar antiprtons e ons de hidrognio negativamente carregados na armadilha, um de cada vez, possvel medir, em condies idnticas, as frequncias do cclotron dos dois tipos de partculas, comparando suas razes carga-massa.

“Ao fazer isso, fomos capazes de obter um resultado que eles so essencialmente equivalentes, em um grau quatro vezes mais preciso do que as medidas anteriores. Para este nvel de invarincia CPT [carga-paridade-tempo], causalidade e localidade so vlidas nas teorias de campo quntico relativstico do Modelo Padro,” disse Stefan Ulmer, lder do projeto.

Princpio da Equivalncia Fraca

As medies serviram para testar uma lei fundamental da fsica, conhecida como Princpio da Equivalncia Fraca. De acordo com este princpio, corpos diferentes no mesmo campo gravitacional deveriam sofrer a mesma acelerao na ausncia de foras de atrito. Como o experimento BASE foi colocado na superfcie da Terra, qualquer diferena entre a interao gravitacional de prtons e antiprtons resultaria em uma diferena entre as frequncias de cclotron.

Ao amostrar o campo gravitacional da Terra enquanto o planeta orbitava o Sol, os fsicos concluram que a matria e a antimatria responderam gravidade da mesma forma at um grau de trs partes em 100, o que significa que a acelerao gravitacional da matria e da antimatria so idnticas dentro de 97% da acelerao experimentada.

“A preciso de 3% da interao gravitacional obtida neste estudo comparvel meta de preciso da interao gravitacional entre a antimatria e a matria que outros grupos de pesquisa planejam medir usando tomos anti-hidrognio em queda livre. Se os resultados do nosso estudo forem diferentes daqueles dos outros grupos, isso pode levar ao surgimento de uma fsica completamente nova,” comentou Ulmer.

Bibliografia:

Artigo: A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge-mass ratio
Autores: M. J. Borchert, J. A. Devlin, S. R. Erlewein, M. Fleck, J. A. Harrington, T. Higuchi, B. M. Latacz, F. Voelksen, E. J. Wursten, F. Abbass, M. A. Bohman, A. H. Mooser, D. Popper, M. Wiesinger, C. Will, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, C. Smorra, S. Ulmer
Revista: Nature
DOI: 10.1038/s41586-021-04203-w

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