Mas para onde foi a antimatéria?

O primeiro lugar conhecido para responder a essa pergunta é, de fato, no cérebro do físico inglês Paul Dirac que, em 1929, obteve uma solução "bizarra" da equação (que agora leva seu nome) que ele havia desenvolvido. Ele procurou tornar compatível a nova mecânica quântica e a relatividade especial de Einstein, e para isso construiu uma equação que descreve o comportamento de um elétron; e essa equação teve outra solução, que correspondia a um elétron com energia negativa, que não podia ser admitida. Mas a equação era tão bonita "que não poderia estar errada", e Dirac acabou propondo a existência de um elétron positivo (o elétron da matéria comum tem carga elétrica negativa).

Bingo! Três anos depois, o americano Anderson observou, em raios cósmicos, esse elétron positivo e batizou-o de pósitron (que foi traduzido como pósitron em francês). Portanto, é nos raios cósmicos que encontramos as primeiras partículas de antimatéria. Por que "antimatéria"? Porque essas partículas são o alter ego das partículas que compõem nossa matéria, mas com cargas opostas, de modo que a reunião de uma partícula e sua antipartícula vê todas as cargas se cancelarem e podem se fundir em uma partícula de energia pura como os fótons. A antimatéria é um ingrediente essencial para transformar energia em matéria, ou para o seu funcionamento reverso, segundo a fórmula de Einstein. Mas ao invés de falar sobre partículas “opostas” ou “espelhadas”, é mais correto falar de partículas “complementares”.

Portanto, encontramos partículas de antimatéria na radiação cósmica; mas de onde eles vêm? A teoria do big bang, onde tudo seria criado a partir de uma "bolha de energia", implica que criou tanto matéria quanto antimatéria.

Haveria mundos, galáxias de antimatéria? As observações do cosmos invalidam essa ideia, então a grande questão na cosmologia é realmente: para onde foi a antimatéria? A pequena antimatéria observada nos raios cósmicos vem da interação de partículas de matéria em aceleradores cósmicos resultantes, por exemplo, da queda vertiginosa da matéria em direção a buracos negros supermassivos, ou outros fenômenos cósmicos violentos. Esta pequena antimatéria em raios cósmicos continua a ser examinada, por exemplo, no experimento AMS instalado na estação espacial ISS.

O detector AMS na ISS.
NASA, CC BY

Quando os físicos criam antimatéria

Assim que os aceleradores dos físicos permitiram, a antimatéria foi criada nos laboratórios, para estudá-la e entendê-la. E esses aceleradores possibilitaram, ao bombardear elementos com prótons (que são o núcleo do átomo de hidrogênio) ou nêutrons, a criação de átomos radioativos de um tipo especial, a radioatividade beta-plus (β +). Esses átomos possuem um núcleo muito rico em prótons, e durante sua desintegração emitem um pósitron: eles emitem antimatéria!

Portanto, temos disponíveis (mas com a condição de os fabricarmos) fontes de pósitrons. Essas fontes têm vida útil curta, mas suficientes para considerar as aplicações. A primeira, desenvolvida na década de 1960, é a tomografia por emissão de pósitrons, PET, agora amplamente utilizada em imagens médicas: PET scans. Portanto, é no hospital que você tem maior probabilidade de encontrar antimatéria!

PET scan.
Liz West / Flickr, CC BY

Nesse exame, átomos de flúor 18 radioativos são incorporados em moléculas de açúcar, que são injetadas em solução no paciente. Quando o flúor decai, ele emite um pósitron que é imediatamente aniquilado, dando dois fótons gama que os detectores registram. Assim, podemos visualizar onde o açúcar está concentrado no corpo: os órgãos que mais consomem essa energia são, em particular, células cancerosas. A oncologia tornou-se, portanto, o usuário mais importante de antimatéria. Devemos citar também o uso de outro elemento radioativo β +, o sódio-22, mas desta vez para necessidades mais industriais: a análise da radiação gama emitida quando os pósitrons penetram em determinados materiais (silício, metais, vidros ...) Permite determinar o taxa de porosidade de superfícies em escala nanométrica, bem como as conexões entre esses poros. Portanto, é nesses laboratórios de análise que também podemos encontrar pósitrons.

E, claro, os grandes laboratórios de pesquisa continuam fabricando antimatéria, para estudá-la. Na pesquisa com partículas elementares, os experimentos do grande acelerador do LHC no Cern em Genebra estudam as propriedades de todas as antipartículas e tentam verificar se há anomalias em sua "complementaridade". Além disso, o CERN possui um anel único no mundo, destinado a desacelerar os antiprótons criados em alta energia. Esses antiprótons são enviados para experimentos que podem formar átomos de anti-hidrogênio a partir deles, associando a eles um pósitron (produzido separadamente a partir da fonte de sódio-22). O estudo dos níveis atômicos do anti-hidrogênio permite testar a universalidade da interação eletromagnética, prevista pelos modelos atuais da física. E nos últimos anos, três experimentos foram lançados para medir o efeito da gravitação terrestre sobre esses antiatomas: uma diferença, mesmo pequena, violaria o princípio da equivalência de Einstein, uma das bases da relatividade, que afirma que em um campo gravitacional a trajetória de um corpo não depende de sua composição.

Os resultados que virão são novamente de interesse cosmológico.

Finalmente, a antimatéria é um sonho, e nós a encontramos - virtualmente - em várias obras de ficção científica. É verdade que representa a forma mais densa de armazenamento de energia imaginável, mil vezes mais densa do que a energia de fissão, ela mesma já alguns milhões de vezes mais densa do que nossos combustíveis fósseis. Com efeito, no aniquilamento da antimatéria com a matéria, toda a massa se transforma em energia, sem resíduos, desperdícios ou cinzas.

Daí seu interesse em impulsionar uma missão espacial distante, ou como uma arma de destruição em massa. Mas não sonhemos muito: toda a antimatéria já criada no CERN, se pudesse ser preservada, só teria permitido aquecer uma xícara de café!


Se você quiser aprender ainda mais sobre a antimatéria, vá para Noite da AntimatériaO 1er Abril em toda a FrançaA Conversação

Yves Sacquin, físico experimental, Comissão de Energia Atômica e Energias Alternativas (CEA) - Universidade Paris-Saclay

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob licença Creative Commons. Leia oartigo original.

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