Antimatéria é manipulada e resfriada a laser pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/04/2021

Nuvem de anti-hidrogênio sendo resfriadas por um laser.
[Imagem: Chukman So]

Comparação da matéria com a antimatéria

O experimento ALPHA, que funciona junto ao LHC (Grande Colisor de Hádrons]) conseguiu pela primeira vez resfriar átomos de anti-hidrogênio - a forma mais simples de antimatéria - usando luz laser.

A técnica, conhecida como resfriamento a laser, foi demonstrada pela primeira vez há 40 anos em matéria normal e hoje é a base de muitos campos de pesquisa.

Sua primeira aplicação à antimatéria abre as portas para medições consideravelmente mais precisas da estrutura interna do anti-hidrogênio e de como ele se comporta sob a influência da gravidade - não sabemos se a antimatéria cai para cima ou para baixo.

E comparar essas medições com as do átomo de hidrogênio comum pode revelar diferenças entre os átomos de matéria e de antimatéria. Essas diferenças, se realmente existirem, podem esclarecer por que o Universo é composto apenas de matéria, um desequilíbrio conhecido como assimetria matéria-antimatéria, uma vez que ambas deveriam ter sido criadas em quantidades iguais no Big Bang.

"A capacidade de resfriar átomos de anti-hidrogênio a laser é uma virada de jogo para as medições espectroscópicas e gravitacionais e pode levar a novas perspectivas na pesquisa de antimatéria, como a criação de moléculas de antimatéria e o desenvolvimento de interferometria dos antiátomos," disse o físico Jeffrey Hangst. "Estamos nas nuvens. Cerca de uma década atrás, o resfriamento de antimatéria a laser estava no reino da ficção científica."

Resfriamento a laser da antimatéria

As garrafas de antimatéria mantêm os antiátomos presos magneticamente.
[Imagem: Chukman So]

A equipe ALPHA produz átomos de anti-hidrogênio pegando antiprótons de um Desacelerador de Antiprótons e ligando-os com antielétrons (ou pósitrons) criados por uma fonte de sódio-22.

Em seguida, os átomos de anti-hidrogênio resultantes (cerca de 1.000 deles) são aprisionados em uma armadilha magnética, que os impede de entrar em contato com a matéria e se aniquilar.

A seguir, a equipe normalmente realiza estudos espectroscópicos, ou seja, mede a resposta dos antiátomos à radiação eletromagnética - luz laser ou micro-ondas. Esses estudos já permitiram, por exemplo, medir a transição eletrônica 1S-2S no anti-hidrogênio com precisão sem precedentes.

No entanto, a precisão dessas medições espectroscópicas e de outras medições, como o comportamento do anti-hidrogênio no campo gravitacional da Terra, é limitada pela energia cinética ou pela temperatura, dos antiátomos.

É aí que entra o resfriamento a laser.

Nessa técnica, os fótons do laser são absorvidos pelos átomos, fazendo com que eles atinjam um estado de energia mais alto. Os antiátomos então emitem fótons e decaem espontaneamente de volta ao seu estado inicial. Como essa interação depende da velocidade dos átomos, e como os fótons lhes conferem momento, repetir muitas vezes esse ciclo de absorção-emissão leva ao resfriamento dos átomos.

Esta confusão de equipamentos é o Experimento Alpha, onde a antimatéria é produzida e estudada.
[Imagem: Maximilien Brice/Julien Ordan/CERN]

Antimatéria no zero absoluto

No resfriamento a laser da matéria já é possível levar os átomos até próximo do zero absoluto. Neste primeiro resfriamento da antimatéria, os antiátomos não ficaram tão frios, mas a redução do movimento da nuvem de antimatéria por um fator de 10 mostra que este é o caminho. Futuras otimizações deverão incluir o aumento da densidade da nuvem de antiátomos, para que a interação com o laser seja otimizada.

"Historicamente, os pesquisadores têm sofrido para resfriar o hidrogênio normal a laser, então isso tem sido visto como um sonho maluco para nós por muitos anos," disse Makoto Fujiwara, o primeiro proponente da ideia de usar um laser pulsado para resfriar o anti-hidrogênio. "Agora, podemos sonhar com coisas ainda mais loucas com a antimatéria."

E, como átomos mais frios ocupam menos espaço, a técnica de resfriamento pode ajudar a melhorar as técnicas de aprisionar a antimatéria e mantê-la sob controle.

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