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Aniquilação de matéria e antimatéria pode criar laser de raios gama

Aniquilação de matéria e antimatéria pode criar laser de raios gama
Esta imagem mostra a câmara de alto vácuo no interior da qual foi criada a nuvem de átomos de positrônio polarizados pelo spin. [Imagem: David Cassidy/UC Riverside]

Tudo começa com o positrônio, um átomo exótico, de vida extremamente curta, formado pela união de um elétron com sua antipartícula, o pósitron, sem um núcleo.

Em 2005, físicos da Universidade da Califórnia criaram uma molécula de positrônio, uma substância completamente nova, também chamada de matéria artificial, porque ela essencialmente é formada por uma junção de matéria e antimatéria. O feito foi confirmado em 2007.

Agora, a mesma equipe conseguiu isolar pela primeira vez uma amostra de átomos de positrônio polarizados pelo spin.

Spin do positrônio

O spin é uma propriedade fundamental e intrínseca de um elétron, e se refere ao momento angular do elétron. Átomos polarizados pelo spin, ou spin-polarizados, são átomos que estão todos no mesmo estado de spin.

Uma grande amostra de átomos de positrônio spin-polarizados é necessária para criar uma outra forma especial da matéria, chamada condensado de Bose-Einstein (BEC: Bose-Einstein Condensate). Em um BEC, bilhões de átomos entram em sintonia e se comportam como se fossem um gigantesco átomo individual.

"Nós obtivemos esse resultado aumentando a densidade dos átomos de positrônio," conta David Cassidy, o principal autor do artigo. "Em uma densidade tão elevada, os átomos de positrônio se aniquilam simplesmente interagindo uns com os outros. Mas acontece que nem todos os átomos de positrônio são aniquilados sob essas condições."

Laser de raios gama

Cassidy explicou que os átomos de positrônio podem ser de dois tipos - um tipo up e um tipo down, referindo-se ao seu spin. Os átomos de positrônio só são aniquilados quando um tipo up se encontra com um tipo down. Dois átomos com o mesmo spin não se afetam.

Além do grande interesse em termos de física fundamental, há um interesse prático muito grande nessa colisão de átomos de matéria e antimatéria: ao se encontrarem e se aniquilarem, a reação gera um disparo de raios gama.

Esse gerador de raios gama pode ser a fonte de radiação necessária para criar um incrível laser de raios gama, um tipo futurístico de laser que emite luz pela aniquilação de matéria e antimatéria.

"Há processos fundamentais que podem ser olhados de maneiras totalmente novas quando você tem a matéria no estado BEC", explica Allen Mills, coordenador da pesquisa. "Ter os átomos em um condensado torna mais fácil verificar como eles interagem em determinadas condições. Além disso, ter átomos de positrônio imóveis é um aspecto importante para construir algo como um laser de raios gama, que poderia ter inúmeras aplicações."

Antimatéria no universo

Segundo Mills e Cassidy, a nova pesquisa pode levar também à produção de energia por fusão nuclear.

"Se você tiver 50 por cento de ups de 50 por cento de downs e apertá-los, eles vão se aniquilar totalmente e se transformar em raios gama," diz o pesquisador "Mas se você tiver, por exemplo, cerca de 66 por cento de ups e 33 por cento de downs, então, apenas metade dos ups será destruída. Você terá uma carga de raios gama - mas no final você vai ficar com apenas um tipo de átomo - neste caso, os átomos up."

"Este é um passo importante para criar um BEC", continua, "porque você efetivamente purificou sua amostra de positrônio. E você precisa de uma coleção pura de átomos de spin alinhados para fazer o BEC."

Quando os átomos estão no estado BEC, eles ficam essencialmente parados (ou se movem muito lentamente), facilitando seu estudo.

"A eventual produção de um condensado de positrônio poderá nos ajudar a entender por que o universo é feito de matéria, e não de antimatéria ou simplesmente energia pura," diz Cassidy. "Também poderá um dia nos ajudar a medir a interação gravitacional da matéria com a antimatéria. Hoje, ninguém sabe ao certo se a antimatéria cai para cima ou para baixo."

Bibliografia:

Production of a fully Spin-polarized ensemble of positronium atoms
D. B. Cassidy, V. E. Meligne, A. P. Mills Jr
Physical Review Letters
Vol.: 104, 173401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.173401




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