Antimatéria 268

Antimatéria 268

46 • CiênCia Hoje • vol. 45 • nº 268 físic a

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Uma diminuta quantidade de antimatéria é roubada do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN). Objetivo: usá-la para destruir o Vaticano. Esse é o mote de Anjos e Demônios, do escritor norte-americano Dan Brown, também autor do sucesso Código Da Vinci. O livro – transformado recentemente em fi lme – é apenas uma das repercussões artísticas de uma grande descoberta da física: a existência da antimatéria, tema ainda hoje intensamente debatido na comunidade científi ca.

Cerca de oito décadas depois da detecção da primeira antipartícula, os físicos ainda se perguntam: por que o universo observado atualmente tem somente matéria? Por que a antimatéria desapareceu? ignacio Bediaga Coordenação de Física experimental de Altas Energias (Lafex) Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (RJ)

46 • CiênCia Hoje • vol. 45 • nº 268 março de 2010 • CiênCia Hoje • 47 físic a março de 2010 • CiênCia Hoje •47 físic a

No início do universo, matéria e antimatéria foram criadas na mesma proporção. Basicamen te, para cada partícula havia sua antipartícula correspondente, ou seja, para cada elétron foi criado um pósitron; para cada quark, um antiquark e assim por diante. Esse cenário dominou o universo logo depois da ‘explosão’ primordial, comumente denominada Big Bang.

Quando uma partícula encontra sua antipartícula correspondente (um elétron interage com um pósitron, por exemplo), as duas se aniquilam, transformando se em energia. Esta, por sua vez, se transforma, de novo, em um par de matéria e antimatéria. Essa ideia, baseada nas atuais teo rias das partículas elementares (reunidas no chamado modelo padrão), nos permite criar uma imagem dinâmica daquele cenário inicial: um imenso movimento frenético de criação e aniquilação, envolvendo bilhões de bilhões de pares de partícula e antipartícula. Tudo isso a temperatu ras altíssimas, expressa por números com cerca de 30 zeros.

Depois de passar por um período de expansão muito rápida, o uni verso esfriou com mais intensidade, e o processo de criação de matéria e antimatéria ficou dificultado. A aniquilação passa a dominar comple tamente o cenário: a energia (luz) criada nesse momento paira até hoje no universo. Denominada radiação cósmica de fundo, ela pode ser en tendida como um ‘eco’ daquele cenário inicial.

Décimos de milésimos de segundo depois do Big Bang, parte das partículas, os quarks, passa a se combinar, formando os bárions (com postos por três quarks, como os prótons e os nêutrons) e os mésons (um par quark antiquark). Formaram se também os antibárions, como anti prótons e antinêutrons. Léptons e antiléptons (elétron, múon, tau, neu trino e suas respectivas antipartículas) ainda seguem se movimentando livremente (figura 1). Matéria e antimatéria continuam se aniquilando furiosamente. Átomos – e antiátomos – têm ainda dificuldade em se formar, em função do alto estado de agitação de seus componentes básicos (elétrons e quarks; pósitrons e antiquarks).

A ANTIMATÉRIA e o UNIVERSO março de 2010 • CiênCia Hoje • 47

Artefato em que a antimatéria (ponto luminoso) é armazenada no fi lme Anjos e Demônios

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E aqui nossa história começa a ficar mais interes sante. Uma pequena parte da matéria sobrevive a esse processo de aniquilação. É essa porção ínfima que hoje forma todo o universo conhecido, com bilhões de galáxias, cada uma com bilhões de estre las, com planetas e todo o resto. Portanto, nós, hu manos, temos nossa origem naquela mínima fração de matéria que sobreviveu no início do universo.

A visão esquemática da história contada até aqui pode ser vista na figura 2.

Após este preâmbulo, surgem duas perguntas: i) O que é a antimatéria? i) O que aconteceu com a antimatéria do universo? Sabemos a resposta para a primeira. Mas ainda não temos como responder à segunda, embora expe rimentos que começam agora prometam resulta dos que talvez nos ajudem a entender essa questão.

EnErgia nEgativa?

A descoberta da existência da antimatéria é um dos capítulos mais surpreendentes da física do século passado. Em 1928, o físico inglês Paul Dirac (1902 1984) apresentou uma teoria para o comportamento do elétron com base nas duas grandes teorias da fí sica moderna: a mecânica quântica, que trata dos fenômenos no universo atômico e subatômico, e da relatividade restrita, que lida com fenômenos envolvendo velocidades próximas à da luz no vácuo (300 mil km/s).

A equação de Dirac – como ficou conhecida – tinha uma solução que descrevia, com precisão, o comportamento do elétron. Mas outra apontava para algo completamente inusitado: um elétron com energia negativa. E isso não fazia – e ainda não faz! – o menor sentido.

Energia negativa? Depois de muitas especulações, o próprio Dirac teve a coragem de afirmar que aquela solução estava indicando a existência de uma partícula com a mes ma massa do elétron, mas com carga elétrica oposta. Ou seja, um elétron positivo, mais tarde denomina do pósitron. Seis meses depois, ainda em 1931, o físico norte americano Carl Anderson (1905 1991) observou o pósitron em um experimento. Era a pri meira evidência da realidade da antimatéria.

Uma das principais características do elétron, além de sua pequena massa e carga elétrica, é o spin, que, para o propósito deste artigo, pode ser imagi nado como a rotação do elétron. Embora Dirac tenha escrito a equação dele para o elétron, na verdade ela servia para todas as partículas que tivessem spin semelhante ao do elétron (no linguajar da física, spin igual a 1/2). Consequentemente, se todas as partícu las com esse spin obedeciam à equação de Dirac, elas necessariamente tinham que ter também uma antipartícula correspondente. E assim aconteceu.

Desde a descoberta do pósitron até hoje, todas as partículas de spin 1/2 detectadas têm sua antipar tícula. E não foram poucas: o próton, o nêutron, o múon, o tau (estes dois últimos, são parentes pesa dos do elétron), o lambda, entre dezenas de outras – inclusive os quarks, que obedecem a essa surpre endente consequência da equação de Dirac.

Outro resultado importante: sempre que fazemos uma colisão em um acelerador de partículas, criamos, na exata proporção, o mesmo número de partículas e de antipartículas. Essa simetria na produção de matéria e antimatéria nunca foi violada em nenhu ma das centenas de experiências, com milhões de colisões produzidas, em média, nos experimentos em aceleradores de partículas. Esses resultados, aliados ao desenvolvimento das teorias sobre as três forças fundamentais que regem o mundo das par tículas elementares (a força forte, a fraca e a eletro magnética), nos levou à convicção de que, no início do universo, a quantidade de partículas elementa res era idêntica à de antipartículas elementares.

E a antimatéria do univErso?

Se o universo foi criado dessa maneira (ou seja, com a mesma quantidade de matéria e antimatéria), o que aconteceu, no meio do caminho, que fez com que hoje só exista matéria? Como desapareceu a antimatéria?

Essas questões seguramente são difíceis de serem respondidas pelos cientistas. Temos somente pistas de como isso aconteceu, mas nada definitivo. Algo

Figura 1. Quarks, léptons e suas respectivas antipartículas

março de 2010 • CiênCia Hoje • 49 físic a realmente revolucionário terá que aparecer nas próximas experiências e no desenvolvimento das próximas teorias para dar conta desse mistério.

Na realidade, temos que fazer uma importante ressalva: no início, antes que houvesse o rápido processo de resfriamento do universo, o número de partículas de matéria e de antimatéria era imen samente superior ao existente hoje. Ou seja, nosso universo atual tem massa infinitamente inferior aquela do universo primordial. O testemunho disso é a igualmente imensa quantidade de fótons observados atualmente no espaço, produzidos, como dissemos, por meio da aniquilação entre partículas e suas antipartículas.

Depois da criação desses fótons, o universo continuou se expandindo, o que perdura até hoje. Por um lado, essa expansão foi reduzindo a tem peratura do universo; por outro, fez com que esses fótons ficassem igualmente distribuídos no espaço e dotados de energias muito parecidas. Essas con sequências do modelo de criação do universo se confirmaram experimentalmente de forma espeta cular: observou se que a radiação cósmica de fundo tem energia praticamente homogênea que, traduzida em temperatura, corresponde a uma variação extremamente pequena, entre 2,7248 kelvin e 2,7252 kelvin (zero kelvin corresponde a 273 graus celsius negativos).

Experimentos de grande precisão estimaram também que, para cada partícula de matéria no universo de hoje (ou seja, para cada próton, nêutron ou elétron existentes), temos o impressionante valor de 20 bilhões de fótons. É justamente essa razão que nos permite pensar que o universo já teve uma massa imensamente maior que a atual.

CondiçõEs dE sakharov

Para tentar explicar essa pequena ‘sobra’ de maté ria após a grande aniquilação, o físico russo Andrei Sakharov (1921 1989), prêmio Nobel da Paz de 1975, por seu papel como dissidente pacifista e defensor dos direitos humanos na antiga União Soviética, propôs duas condições necessárias para que houvesse a sobrevivência da matéria: i) o próton e o antipróton teriam que se desin tegrar, ou seja, se transformarem em outras partículas; i) essa desintegração teria que ocorrer com mais frequência para as antipartículas que para as partículas, ou seja, deve haver uma assimetria entre matéria e antimatéria. No artigo original, Sakharov chama a atenção para o seguinte: o fato de nenhuma das duas condições terem até então sido observadas experi mentalmente (o artigo foi publicado em 1967) poderia ser consequência de que elas só ocorrem em uma transição de fase – fenômeno semelhante àque les sofridos pela água ao mudar de fase. Sabe se hoje que o universo primordial sofreu forte transição de fase.

Figura 2. História do universo, da origem aos dias de hoje físic a violação dE CP a observação da assimetria entre o modo como a matéria e a antimatéria decaem criou grande desconforto no mundo dos físicos de partículas, devido a um importante teorema conhecido como cPt, no qual c representa a conjugação de carga; P, a chamada conservação de paridade; e t, a reversibilidade temporal. Posto de modo simples, o c significa uma operação que transforma a partícula em sua antipartícula ou vice-versa. exemplo: um elétron se transformando em um pósitron. a reversibilidade temporal pode ser entendida como a impossibilidade de dizer qual a ordem dos acontecimentos. exemplo: filme uma bola de bilhar ricocheteando contra a lateral de uma mesa de bilhar e passe o filme ao contrário. Ninguém seria capaz de dizer se o filme está ao contrário ou não. Por fim, a paridade tem a ver com a imagem dos eventos refletida em um espelho. o teorema cPt é um tipo de Santo graal da física, algo como a conservação de energia. No caso, essa tríade de grandezas deve, em conjunto, ser conservada. Se, por exemplo, ocorrer violação na conservação de carga e de paridade, ela de ve ser ‘compensada’ por uma violação da reversibilidade temporal na propor - ção inversa. isso fará com que c, P e t se conservem, e o teorema seja válido. em 1964, foram publicados resultados de um experimento com mésons K (ou káons), que contêm um quark do tipo strange. Nessa experiência, mostrou-se haver violação de cP e, consequentemente, de t. em termos práticos, a violação da reversibilidade temporal significa que o processo de desintegração dos káons não poderia seguir o caminho inverso, ou seja, não poderia ser reconstruído a partir dos fragmentos gerados em sua desintegração. em resumo: o processo era irreversível. esses resultados com os káons podem parecer pouco importantes em nosso dia a dia, em que estamos acostumados a processos irreversíveis (por exemplo, uma xícara que se despedaça no chão não volta à forma original). Mas, no mundo da física envolvendo poucos corpos elementares, essa era a primeira vez que isso ocorria – nem a mecânica clássica, nem o eletromagnetismo e nem mesmo a mecâ nica quântica tinham apresentado até então violação da reversibilidade temporal. essa situação causou enorme agitação no meio científico. Por quase 10 anos, centenas de trabalhos foram feitos sem sucesso para tentar entender essa singularidade no conhecimento. em uma solução

Em busCa dE rEsPostas

A assimetria matéria antimatéria observada até hoje nos experimentos continua insuficiente para explicar a ausência de antimatéria no universo. Estimativas indicam que essa assimetria teria que ser pelo me nos um bilhão de vezes maior. Experiências que começam agora no acelerador LHC (figura 3), do CERN, pretendem buscar novas fontes

Figura 3. Visão esquemática do LHC, com os quatro detectores principais

Figura 4. O detector LHCb, principal responsável pelo estudo da assimetria entre matéria e antimatéria nos experimentos do LHC

A primeira condição, embora procurada em um grande número de experimentos, não foi detectada até este momento. Mas, naquela época, a segunda condição já havia sido observada (ainda que em pequena quantidade) em experiências feitas em aceleradores. Mas, no artigo, Sakharov não faz menção ao fato (provavelmente, devido ao isola mento científico em que vivia).

Embora necessária para explicar a assimetria matéria antimatéria no universo, a observação dessa assimetria na desintegração da matéria e antimatéria, em 1964, foi enorme surpresa para a comunidade científica (ver ‘Violação de CP’).

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março de 2010 • CiênCia Hoje • 51 físic a surpreendente – e um tanto ousada –, um estudante de doutorado e um pós-doutorando, ambos japoneses, respectivamente, Makoto Kobayashi e toshihide Maskawa, resolveram o problema, postulando a existência de mais dois quarks (top e bottom), além dos quatro que, na época, se conheciam (up, down, strange e charm). esses dois quarks foram descobertos, um em 1976 (bottom) e o outro em 1996. uma consequência importantíssima dessa nova teoria com seis quarks foi a descoberta, pelo também físico ja ponês anthony Sanda e pelo alemão ikaros Bigi, de que a violação de cP seria muito mais intensa na desintegração das partículas contendo o recém-descoberto quark bottom do que naquela observada na desintegração dos mésons constituídos por quarks strange. essa nova previsão também foi confirmada recentemente. em 2008, Kobayashi e Maskawa ganharam, juntamente com o físico teórico japonês Yoichiro Nambu, o Nobel de Física. Merecidamente.

sugestões para leitura

QuiNN, H. r.; Nir,

Y. The mystery of t

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