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Átomos de positrônio unem-se em moléculas de matéria e antimatéria

Átomos de positrônio unem-se em moléculas de matéria e antimatéria
Elétrons e pósitrons inevitavelmente aniquilam-se um ao outro, gerando uma emissão de raios gama. [Imagem: CERN]

Matéria artificial

O positrônio é um átomo exótico, feito de matéria e de antimatéria: um elétron e um pósitron (anti-elétron) ligados um ao outro, mas sem um núcleo.

Agora, em um gás formado por esses átomos, um gás denso mas de vida curta, pesquisadores observaram interações entre eles - e podem ter produzido as primeiras moléculas de positrônio, cada uma composta por dois átomos.

Relatados na Physical Review Letters de novembro, os experimentos representam mais um passo rumo à criação de novos tipos de "matéria exótica", tipos especiais de matéria artificial cujas propriedades os físicos estão ansiosos para estudar, e que poderiam permitir, em última instância, construir um laser de raios gama.

Átomos de matéria e antimatéria

O positrônio é o mais simples de uma série de formas mais complexas de matéria que os físicos esperam ser capazes de construir colocando elétrons e pósitrons juntos.

Como os pesquisadores já produziram átomos e íons de positrônio, o próximo passo natural seria fazer esses átomos interagirem por meio de colisões, em última instância formando moléculas.

Embora sempre haja colisões ocasionais em um gás de positrônio, os cientistas não conseguiram fazer o gás denso o suficiente para obter colisões freqüentes - o suficiente para afetar as propriedades do gás como um todo.

Mas uma equipe de físicos, liderada por Allen Mills, da Universidade da Califórnia, nos Estados Unidos, pode ter feito justamente isso. Eles coletaram e comprimiram pósitrons em uma armadilha magnética e então dispararam pulsos super intensos de pósitrons sobre um filme fino de sílica nano-porosa, um material repleto de poros microscópicos.

Os pósitrons que atingiam o filme liberavam elétrons e podiam ligar-se a eles para formar átomos de positrônio. Esses átomos duram apenas um breve instante na forma de uma minúscula nuvem de gás aprisionada dentro dos poros do material, até que os elétrons e pósitrons inevitavelmente aniquilem-se um ao outro em uma explosão de raios gama.

Taxa de decaimento

Mills e seus colegas monitoraram esses raios gama para medir a taxa de aniquilação, ou "decaimento", e avaliar a física por trás do fenômeno.

Depois de observar um gás de positrônio de baixa densidade, a equipe usou pulsos comprimidos espacialmente para produzir positrônio de alta densidade, cujos átomos são mais propensos a colidir uns com os outros.

Eles calcularam que mais colisões deveriam levar a uma taxa de decaimento mais elevada. Isso porque os átomos de positrônio são criados ou em um estado de spin-0, que decai rapidamente, ou no estado mais duradouro (centenas de nano-segundos) de spin-1, dependendo em parte do alinhamento inicial dos spins do elétron e do pósitron. Mas colisões entre dois átomos de spin-1 podem transformá-los no estado de decaimento mais rápido.

Mills e seus colegas encontraram uma alta taxa de decaimento nos pulsos mais densos - uma evidência clara, dizem eles, de colisões freqüentes entre positrônios, um passo importante para produzir moléculas.

Eles ficaram surpresos, entretanto, que a taxa de decaimento era quatro vezes mais alta do que o esperado com base no entendimento mais simples das colisões.

A taxa extra alta pode ser resultado da concentração dos átomos de positrônio em grandes rachaduras e outras imperfeições na sílica e que não foram consideradas nos cálculos, que assumiram um material nano-poroso perfeito.

Os átomos podem buscar esses espaços mais largos para escapar dos nano-poros, cujo espaço limitado tende a elevar a energia dos átomos.

Moléculas de matéria e antimatéria

Mas outra possibilidade é que alguns pares de átomos de positrônio estivessem se juntando para formar moléculas. Os experimentos não conseguem distinguir entre as duas causas, mas Mills acredita que novos estudos, talvez usando outros materiais, poderão ajudar.

No limite, Mills e seus colegas esperam produzir átomos de positrônio com densidade suficiente para gerar um condensado de Bose-Einstein, um estado ultra-frio com propriedades quânticas bizarras.

Usando o condensado de Bose-Einstein, eles poderão um dia construir uma fonte de raios gama que parece ficção científica: um laser produzido pela aniquilação de elétrons e pósitrons.

"Este é um trabalho importante e entusiasmante," avaliou Cliff Surko, da Universidade da Califórnia, "e essa abordagem não vai perder o gás tão cedo."

Bibliografia:

Experiments With a High Density Positronium gas
D. B. Cassidy, S. H. M. Deng, R. G. Greaves, T. Maruo, N. Nishiyama, J. B. Snyder, H. K. M. Tanaka, A. P. Mills Jr.
Physical Review Letters
18 November 2005
Vol.: 95, 195006
DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.195006




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