Antimatéria

Antimatéria

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O Big Bang, a teoria mais aceita para a criação do universo, diz que tudo se iniciou em uma grande explosão. Nos primeiros instantes, o universo não era formado por matéria, mas sim por energia sob forma de radiação. Aos poucos, matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais. Mas, como prevê a física, o encontro de matéria com antimatéria causa o aniquilamento de ambas, fazendo o que era massa retornar à condição inicial de radiação. Mas a existência de animais, vegetais, planetas, estrelas e galáxias, ou seja, a existência do próprio universo é a prova concreta de que um excesso de matéria sobreviveu a essa aniquilação precoce. O que aconteceu, então, com a antimatéria criada em associação à matéria do universo? Onde estaria ela? Ou será que, por um ‘capricho’ da natureza, a criação do universo deu preferência à matéria?

Leandro de Paula e Miriam Gandelman Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro a AsSI

O ramo da física que estuda os constituintes bÆsicos da matØria Ø a física de partículas elementares. Nesse campo, hÆ uma teoria chamada Modelo Padrªo, que Ø compatível com todos os resultados experimentais atualmente conhecidos. Segundo o Modelo Padrªo, a matØria tem dois tipos de constituintes: os quarks e os lØptons (figura 1). Vamos primeiramente nos deter em algumas propriedades desses dois constituintes.

Os quarks nunca sªo observados isoladamente, mas se agregam para formar os hÆdrons, cujos representantes mais conhecidos sªo o próton e o nŒutron, partículas encontradas nos nœcleos atômicos. Por sua vez, tanto prótons quanto nŒutrons sªo formados cada um por trŒs quarks. Os quarks mais abundantes na natureza sªo o up e o down. O próton Ø formado por dois quarks um up e um down. Para o nŒutron, a ordem se inverte: hÆ um só quark up e dois do tipo down.

O segundo constituinte da matØria sªo os lØptons.

O mais conhecido entre os lØptons Ø o elØtron. Numa imagem simplificada do Ætomo, podemos dizer que ele Ø composto de um nœcleo, constituído de prótons e nŒutrons, cercado por uma nuvem formada por elØtrons. O elØtron tambØm Ø a partícula responsÆvel pela ligaçªo entre os Ætomos e, conseqüentemente, pela formaçªo de molØculas. EstÆ tambØm envolvido na corrente elØtrica que passa pelos fios elØtricos.

Por fim, hÆ um outro tipo de lØpton, o neutrino, que nªo possui carga elØtrica e Ø muito difícil de ser observado (ver Neutrinos, partículas onipresentes e misteriosas em CiŒncia Hoje no 147).

Quarks up e down, elØtrons e neutrinos formam todos os corpos que nos rodeiam. Segundo o Modelo Padrªo, essas quatro partículas sªo classificadas como primeira geraçªo (figura 1). A física de hoje conhece trŒs geraçıes de partículas. Esse nœmero de geraçıes estÆ bem comprovado por medidas experimentais feitas em aceleradores de partículas como o Laboratório Europeu de Partículas Elementares (CERN).

É interessante salientar, no entanto, que o Modelo Padrªo nªo exige que haja somente trŒs geraçıes de quarks e lØptons como as trŒs conhecidas. Nem mesmo o Modelo Padrªo impede a existŒncia de um maior nœmero de geraçıes. A œnica restriçªo imposta pelo modelo Ø que cada geraçªo deve ter dois quarks e dois lØptons (na primeira geraçªo, hÆ o quark up e o down, o elØtron e o neutrino do elØtron, os dois œltimos sendo lØptons. Vale lembrar que o mœon e o tau, ambos lØptons, tŒm tambØm seus respectivos neutrinos, conforme mostra a figura 1.

O Modelo Padrªo tambØm prevŒ a existŒncia de antipartículas como os antiquarks e os antilØptons. Uma antipartícula tem a mesma massa da partícula, mas com carga elØtrica oposta. Assim, o pósitron, de

FÍSICA mETRia do universodo universo

carga positiva, Ø a antipartícula do elØtron. Ambos tŒm a mesma massa. Segundo o Modelo Padrªo, toda partícula tem sua antipartícula.

O encontro de uma partícula com sua antipartícula causa a aniquilaçªo do par. Assim, a massa de ambas transforma-se em energia. Por exemplo, o que resta do encontro de elØtron com um pósitron Ø radiaçªo. Esse fenômeno Ø conhecido como aniquilaçªo matØ- ria-antimatØria.

Assim como as partículas, as antipartículas tambØm sªo divididas em geraçıes. As antipartículas da primeira geraçªo sªo o antiquark up (ou antiup), o antiquark down (antidown), o antielØtron (ou pósitron) e o antineutrino.

Da mesma forma que os quarks se agregam para constituir os hÆdrons (prótons e nŒutrons), os antiquarks podem constituir anti-hÆdrons, jÆ que o Modelo Padrªo prevŒ a existŒncia de antinŒutrons e antiprótons. Estes dois œltimos, ao se juntarem a antielØtrons, dariam origem a antiÆtomos. Uma demonstraçªo da viabilidade desse processo foi obtida pelo experimento PS 210, realizado no CERN em 1995 quando foram criados Ætomos de anti-hidrogŒ- nio. O anti-hidrogŒnio Ø formado por um pósitron e um antipróton.

Anti-hÆdrons e antilØptons sªo produzidos tanto em colisıes feitas em aceleradores de partículas quanto em chuveiros de partículas produzidos por raios cósmicos, partículas que vŒm do espaço e que podem atingir altas energias e penetram a atmosfera terrestre. Raios cósmicos ultra-energØticos, por exemplo, podem chegar a ser cerca de 100 milhıes de vezes mais energØticos que as partículas geradas em colisıes nos aceleradores.

O œnico mecanismo conhecido de criaçªo de partículas e antipartículas Ø a produçªo de pares, que Ø

Figura 1. No Modelo Padrão, os dois constituintes da matéria, os quarks e os léptons, estão divididos em três gerações. Para cada partícula, há uma antipartícula. A matéria do universo é formada exclusivamente pela primeira geração o inverso do processo de aniquilaçªo. No momento da produçªo, uma certa quantidade de energia Ø usada para criar simultaneamente uma partícula e sua antipartícula.

A primeira antipartícula foi observada em 1933, em um experimento com raios cósmicos, pelo físico norte-americano Carl David Anderson (1905-1991), descobridor do pósitron, a antipartícula do elØtron.

A teoria mais aceita para a criaçªo do universo Ø a do Big Bang. Segundo ela, tudo se iniciou em uma grande explosªo. Nos primeiros instantes, o universo nªo era constituído por matØria, mas sim por energia sob forma de radiaçªo. O universo entªo passou a se expandir e, conseqüentemente, a se resfriar. Pares de partícula-antipartícula eram criados e aniquilados em grande quantidade.

Com a queda de temperatura, a matØria e a antimatØria, criadas em quantidades iguais, poderiam começar a formar, respectivamente, hÆdrons e antihÆdrons. Atualmente, porØm, parece que vivemos em um universo onde só hÆ matØria. O que aconteceu, entªo, à antimatØria que teria sido criada em associaçªo a essa matØria?

Na realidade, jÆ Ø estranho que o universo exista, pois, quando a matØria e a antimatØria se encontram, o processo de aniquilaçªo ocorre, restando só energia como produto. Seria altamente provÆvel, portanto, que logo após terem sido criadas no Big Bang, partículas e antipartículas se aniquilassem, impedindo que corpos mais complexos como hÆdrons, Ætomos, molØculas, minerais, estrelas, planetas e seres vivos pudessem se formar.

Acredita-se que esse processo de criaçªo e aniquilaçªo realmente ocorreu para quase toda a matØria criada no início da expansªo do universo, mas o simples fato de existirmos indica que, ao menos, uma pequena fraçªo de matØria escapou a esse extermínio precoce.

É possível que algum processo, de origem desconhecida, tenha provocado uma separaçªo entre a matØria e a antimatØria e que o processo de aniquilaçªo nªo tenha ido às œltimas conseqüŒncias, deixando porçıes de matØria e antimatØria separadas. Sendo assim, Ø possível pensar que existiam regiıes do universo em que a antimatØria, e nªo a matØria, seria mais abundante.

Planejam-se alguns experimentos no espaço para procurar essas regiıes. No entanto, como atØ hoje nªo se conhece um processo capaz de gerar essa separaçªo, a maioria dos cientistas nªo acredita na hipótese de regiıes de antimatØria no universo. HÆ tambØm uma segunda possibilidade. A de que n t

PARTÍCULASÍMBOLOCARGAMASSA (EM GeV/C) 1 GERAÇÃO quarks up +2/3 0,03 a natureza tenha, de algum modo, favorecido a criaçªo de matØria em detrimento da antimatØria no Big Bang. Isso indicaria que a natureza trata de forma ligeiramente diferente matØria e antimatØ- ria. Se isso for verdade, seria possível que uma pequena fraçªo da matØria inicialmente criada tenha sobrevivido e formado o universo conhecido hoje. Resultados experimentais e teóricos apontam nessa direçªo.

Em 1966, o físico russo Andrei Sakharov (1921- 1989) delineou quais seriam as condiçıes para que tivesse ocorrido esse desequilíbrio entre matØria e antimatØria. Segundo ele, foi um desvio (ou assimetria, no jargªo da física) nas leis da natureza o responsÆvel pela formaçªo de mais matØria que antimatØria. Numa proporçªo aproximada, foram criadas um bilhªo e uma partículas de matØria para cada um bilhªo de partículas de antimatØria. Assim, tudo que existe no universo, de estrelas a seres humanos, foi criado a partir de uma œnica partícula de matØria em cada um bilhªo que sobreviveu à aniquilaçªo.

Para que ocorresse esse ligeiro desequilíbrio no processo de criaçªo de matØria e antimatØria, Sakharov impôs trŒs condiçıes: 1) O próton deve decair, isto Ø, transformar-se em outras partículas. Esse fenômeno ocorreria quando um dos quarks que constituem o próton decaísse em um antielØtron (ou pósitron), o que causaria a conseqüente transformaçªo dos dois quarks restantes em uma nova partícula sem carga, o mØson p”. Segundo cÆlculos, um próton levaria 1032 (o nœmero um seguido de 32 zeros!) anos para decair. Atualmente, hÆ vÆrios experimentos em andamento, mas o decaimento de um próton ainda nªo foi observado. 2) O esfriamento do universo após o Big Bang nªo se deu em equilíbrio tØrmico. Dizemos que um corpo esfria em equilíbrio tØrmico quando sua temperatura diminui igualmente em qualquer uma de suas partes. Quando uma parte resfria-se mais rÆpido do que outra, o esfriamento se dÆ fora do equilíbrio e durante esse processo nªo Ø possível definir uma temperatura para o corpo. 3) Deve haver uma diferença de comportamento entre as partículas de matØria e antimatØria e essa diferença, segundo Sakharov, poderia ser medida. É exatamente essa diferença, como descrito a seguir, que os físicos de partículas estªo procurando atualmente.

Como dissemos, atØ hoje nªo houve nenhuma observaçªo experimental do decaimento de um próton. Entretanto, espera-se que isso realmente ocorra, mas, por ser um evento muito raro, nªo estaria ao alcance dos mØtodos experimentais atuais. A segunda condiçªo imposta por Sakharov tambØm encontra bom amparo nos modelos teóricos existentes, bem como com observaçıes realizadas. As duas primeiras condiçıes de Sakharov nªo podem ser testadas experimentalmente nos dias de hoje e nªo apresentam contradiçıes com as teorias aceitas.

É no entanto na œltima das condiçıes que estÆ o ponto crucial para testar a hipótese de Sakharov: o estudo da diferença de comportamento entre a matØria e a antimatØria. Isso estÆ no limite de nossa capacidade experimental e hÆ, no momento, vÆrios experimentos em preparaçªo para tentar observÆ-la.

Na física de partículas, as simetrias desempenham um papel muito importante, pois elas podem dar informaçıes sobre os processos que estamos interessados em estudar. Antes de tentar entender como isso pode ser feito, vamos apresentar algumas simetrias.

Reversªo temporal (T). A reversªo temporal consiste em inverter a direçªo do eixo do tempo. Vamos a dois exemplos prÆticos. No primeiro, diz-se que a reversªo temporal Ø conservada enquanto, no segundo caso, Ø violada.

Uma bola Ø lançada em direçªo a uma das tabelas de uma mesa de sinuca, colide com ela e volta exatamente ao ponto de saída. Esse processo foi filmado e uma pessoa assiste ao filme duas vezes. Na primeira, as imagens, que mostram a bola jÆ em movimento, sªo projetadas como foram filmadas. Na segunda, o filme Ø passado de trÆs para frente. O interessante Ø que o espectador nªo terÆ como dizer quais das duas projeçıes corresponde ao sentido real. Nesse caso, dizemos que a simetria T Ø conservada.

Vejamos o segundo exemplo. Um jarro cai de uma mesa e se quebra ao atingir o chªo. Nesse caso, saberíamos com facilidade indicar em qual seqüŒncia o filme foi feito, jÆ que nos pareceria estranho ver os fragmentos se juntando para formar um vaso íntegro. Esse Ø um processo para o qual a reversªo temporal nªo Ø vÆlida. Nesse caso, a simetria T Ø violada.

Paridade (P). A paridade Ø a inversªo das coordenadas espaciais. Imagine que houvesse um tipo especial de espelho (figura 2) no qual a imagem fosse invertida de trÆs para frente, da esquerda

Figura 2. A operação de inversão de paridade corresponde a realizar uma observação através de um espelho que inverta as três coordenadas espaciais, isto é, no qual a imagem fosse invertida de trás para frente, da esquerda para a direita e de baixo para cima. Um espelho usual inverte a imagem apenas de trás para frente para a direita e de baixo para cima. Em um espelho normal, a imagem Ø invertida apenas de trÆs para frente.

Para saber se a paridade P Ø conservada, devemos realizar uma experiŒncia. Uma pessoa acena a mªo direita para um espelho. Uma câmera filmarÆ nosso ator de frente. Outra farÆ a gravaçªo da imagem refletida pelo espelho. Ao projetar o primeiro filme, veremos a imagem de uma pessoa acenando com a mªo direita. No outro, nosso personagem aparecerÆ acenando com a mªo esquerda. Este Ø um caso no qual os físicos dizem que a simetria P foi violada.

No entanto, ao observarmos imagens de uma esfera perfeita, nªo poderemos diferenciar uma foto tirada diretamente do objeto de uma tirada usando a imagem dela no espelho. Nesse caso, teremos a conservaçªo da simetria P.

Conjugaçªo de carga (C). Por fim, esta simetria consiste em trocar uma partícula por sua antipartícula. Testar essa simetria Ø mais complicado, pois Ø necessÆrio observar o comportamento de partículas e antipartículas. Vamos a um exemplo prÆtico usando o decaimento do nŒutron. Essa partícula, quando fora de um nœcleo atômico, se transforma (ou decai) em um próton (positivo), um elØtron (negativo) e um antineutrino (sem carga elØtrica). No decaimento de um antinŒutron, diz-se que a conjugaçªo de carga Ø conservada, jÆ que a antipartícula decairÆ em um antipróton (negativo), um pósitron (positivo) e um neutrino (sem carga).

Pegue uma partícula, substitua-a por sua antipartícula, olhe-a atravØs de nosso espelho especial e reverta a direçªo do tempo. Essa receita aplicada a qualquer partícula deveria resultar em algo indistinguível da partícula inicial. Em linguagem um pouco mais tØcnica, diríamos aplique a operaçªo CPT e observe se as trŒs simetrias sªo conservadas .

Apesar de abstrato, Ø nessa operaçªo que estÆ a chave para se entender a falta de antimatØria no universo. Acredita-se que a simetria CPT seja conservada, pois, alØm de todas as teorias aceitas estarem baseadas na conservaçªo dessas simetrias, nªo foi encontrado nenhum sinal de violaçªo em qualquer dos experimentos atØ hoje realizados para testÆ-la. Atualmente encontram-se em preparaçªo no CERN os experimentos ATHENA, que pretendem, usando feixes laser, aprisionar antiÆtomos para testar a simetria CPT.

Para ilustrar a capacidade dessas trŒs simetrias em fornecer informaçıes sobre a natureza, podemos recorrer a mais um exemplo. Imagine uma esfera perfeita sendo observada atravØs de um espelho: nªo

Ø possível distinguir, como jÆ vimos, o objeto de sua imagem, portanto havendo aí um caso de conservaçªo da simetria P.

Mas se houver uma pequena imperfeiçªo na esfera (uma palavra escrita nela), haverÆ uma diferença clara entre ela e a imagem dela. Logo, a observaçªo da violaçªo de uma simetria pode indicar diferenças entre objetos.

Para explicar a existŒncia de um universo em que existe mais matØria do que antimatØria, Ø necessÆrio encontrar uma violaçªo de simetria entre partículas e antipartículas. Por certo tempo, os físicos pensavam que as trŒs simetrias descritas acima seriam conservadas ao serem aplicadas separadamente a qualquer interaçªo entre partículas.

No entanto, resultados experimentais mostraram que, sob certas condiçıes, as simetrias P e C nªo se conservam. Em 1964, os físicos norte-americanos James Cronin e Val Fitch, ambos entªo trabalhando no Laboratório Brookhaven, em Upton (NY), nos Estados Unidos, demonstraram experimentalmente que a combinaçªo CP nªo se conservava CP corresponde a olhar a partícula no espelho especial e em seguida trocÆ-la por sua antipartícula. Esses estudos foram feitos com partículas denominadas kÆons neutros, formadas por um quark down e um antiquark strange. Violar a simetria CP significa que a natureza tem preferŒncia pela matØria do que pela antimatØria (figura 3).

É nessa violaçªo de CP que estÆ a base da terceira condiçªo de Sakharov. A violaçªo de CP, segundo ele, Ø necessÆria para termos o desequilíbrio entre matØria e antimatØria, pois, ao violar a simetria de CP, a natureza dÆ preferŒncia à produçªo de matØria em detrimento da de antimatØria.

Figura 3. Diferença entre as duas curvas. Uma mostra o decaimento de partículas denominadas káons neutros e a outra o decaimento de antikáons neutros. Essa diferença indica uma preferência pelos káons, o que demonstra a preferência da natureza pela matéria. A violação de CP foi descoberta pela primeira vez nos decaimentos dos káons. A unidade de tempo usada no gráfico ao lado equivale a aproximadamente 100 ps (100 picossegundos, ou 10-10, um décimo de bilionésimo de segundo)

24 6 8 10 12 14 16 18 20

káons antikáons Razão de decai m ent o

Como mostrar se houve ou nªo violaçªo dessa simetria (CP)? Uma maneira de fazer isso Ø observando como quarks de um tipo se transformam em outro, bem como antiquarks se transformam em outros antiquarks. Um quark pode se transformar de vÆrias maneiras. A chance de cada uma dessas formas ocorrer Ø chamada de probabilidade de transiçªo. Se pudØssemos fazer experimentos com quarks isolados, poderíamos, por exemplo, medir a probabilidade do quark b se transformar em quark c e a probabilidade do antiquark b se transformar em antiquark c.

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