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O que acontece quando a matéria encontra a antimatéria?

Graycen Wheeler - Symmetry Magazine - 25/05/2022

O capítulo mais recente neste campo ocorreu no início deste mês, quando um experimento com antimatéria produziu um resultado ainda sem explicação.
[Imagem: Christoph Hohmann/LMU München/MCQST]

Tudo se transforma

Quando você ouve a palavra aniquilação, você pode pensar em uma história da Marvel Comics, ou talvez na dramática definição comum da palavra: Destruição ao ponto de não-existência.

Na física de partículas, porém, a exemplo de muitas palavras que têm significados diferentes para a ciência, "aniquilação" é uma transformação.

A aniquilação ocorre quando um pedaço de matéria se encontra com seu correspondente pedaço de antimatéria. O que acontece não é destruição, é transformação.

O que emerge do outro lado do processo de aniquilação é um novo par de partículas. Elas podem ter as mesmas identidades de antes; elas podem se transformar em um novo par partícula-antipartícula; ou podem se converter inteiramente em fótons, partículas que carregam energia eletromagnética.

Equivalência de massa e energia

Regendo essa reação (e, de fato, todas as reações) está o princípio de que a energia não pode ser criada ou destruída. Isso inclui energia na forma de qualquer matéria com massa.

"Estamos felizes com E=mc², então massa é energia," explica o professor Philip Tanedo, da Universidade da Califórnia em Riverside. "Com base no que sabemos sobre as leis da física, se o Universo tem um grama de matéria, deve haver um grama de antimatéria."

Mas a massa não é a única forma de energia. Há também energia cinética - energia relacionada ao movimento - e energia radiante - energia eletromagnética na forma de fótons.

Quando duas partículas sofrem aniquilação, a energia do que quer que elas se tornem deve ser a mesma que a energia do par original.

Para ilustrar isso, Tanedo pede que você imagine duas partículas grandes e pesadas: uma bola de boliche e uma anti-bola de boliche. "Elas ficam lá quietas porque são muito pesadas," explica ele. "Mas, se essas duas bolas de boliche se aniquilarem e se transformarem em duas bolas de bilhar, então essas bolas de bilhar devem estar se movendo muito rápido [e, portanto, ter muita energia cinética] para compensar a diferença de massa".

Também é possível criar matéria e antimatéria a partir de colisões de fótons.
[Imagem: BNL]

Saltos quânticos

Nossa jornada para entender a aniquilação começou em 1928, quando o físico Paul Dirac previu pela primeira vez a existência da antimatéria.

Dirac estava desenvolvendo uma equação para descrever o movimento de um elétron quando percebeu uma intrigante peculiaridade matemática: Sua equação funcionava como pretendido para descrever uma partícula com todas as propriedades de um elétron. Mas também poderia funcionar se todas essas propriedades fossem multiplicadas por -1, implicando a existência de uma partícula que se comportasse exatamente como um elétron, mas com todas as suas propriedades quânticas espelhadas.

Quatro anos depois, o professor Carl Anderson observou a partícula que Dirac havia previsto, o pósitron. Anderson estava usando uma câmara de nuvens - um dispositivo que lhe permitia ver partículas subatômicas ionizantes a olho nu - para observar os raios cósmicos de alta energia que constantemente bombardeiam a Terra do espaço. Ele então viu atravessando a câmara uma partícula incomum, que tinha as mesmas propriedades de um elétron, mas a forma como ela se curvava sob um campo magnético implicava que ela tinha uma carga positiva.

Um ano depois, em 1933, os físicos observaram que, quando um pósitron emergia dos raios cósmicos em uma câmara de nuvens, ele era sempre acompanhado por um elétron espiralando na direção oposta a partir do mesmo ponto. Nesse processo, apelidado de "produção de pares", a radiação eletromagnética se converte em um par partícula-antipartícula.

Os físicos rapidamente começaram a procurar o processo inverso, no qual elétrons e pósitrons poderiam ser convertidos em energia. Em meados dos anos 30, vários grupos observaram experimentalmente esse processo: Havíamos testemunhado a aniquilação.

Até onde os humanos já viram, sempre que a energia se converte em matéria, a mesma quantidade de antimatéria aparece. O Universo deve ter sido preenchido com quantidades iguais de matéria e antimatéria - ou apenas um mar de fótons teria sobrado da aniquilação de matéria-antimatéria [criadas simultaneamente no Big Bang].

Mas, por razões que os físicos não entendem, nosso Universo acabou com um desequilíbrio que favorece fortemente a matéria.

"Com base no que sabemos sobre as leis da física, se o Universo tem um grama de matéria, deve haver um grama de antimatéria," ressalta Tanedo. "Mas não é isso que vemos, apenas vemos um monte de matéria e [quase] nenhuma antimatéria. Há uma assimetria estranha."

Curiosamente, os experimentos mostram que a antimatéria não cai para cima, reagindo à gravidade do mesmo modo que a matéria.
[Imagem: CERN]

A aniquilação e você

De fato, a aniquilação acontece o tempo todo. A menos que você esteja literalmente vivendo abaixo de quilômetros de rocha, você está continuamente sendo bombardeado com raios cósmicos como os que Carl Anderson estava observando quando viu o pósitron pela primeira vez. Esses e outros eventos astronômicos de alta energia convertem energia em quantidades iguais de matéria e antimatéria.

Mas, em nosso Universo cheio de matéria, as antipartículas solitárias são rápidas em encontrar suas partículas de matéria recíprocas e se aniquilar de volta em fótons.

Mas a aniquilação não ocorre apenas no espaço. Na Terra, átomos raros de potássio, encontrados em todos os tecidos vegetais e animais - especialmente nas bananas, ricas em potássio -, ocasionalmente produzem pósitrons por meio de decaimento radioativo.

Os cientistas até descobriram como produzir antimatéria em laboratório. Mas isso é caro e consome muita energia; Em mais de meio século, cientistas de laboratórios aceleradores, como o CERN e o DESY na Europa e o Fermi nos EUA, criaram coletivamente menos de algumas dúzias de nanogramas do material.

Aceleradores como o Grande Colisor Elétron-Pósitron no CERN e o Tevatron no Fermilab passaram feixes de matéria e antimatéria um pelo outro para liberar energia via aniquilação: A energia dessas aniquilações se converteu em matéria, produzindo partículas até então desconhecidas.

O Legend-200 é o mais recente dos experimentos a pesquisar o mistério cósmico da antimatéria.
[Imagem: Enrico Sacchetti]

Matéria de grande importância

Para um físico de partículas, perguntar o que torna a aniquilação legal é como pedir a alguém que se torne poético sobre ligações covalentes ou colisões elásticas. "É uma pergunta meio engraçada," diz Tanedo. "Este é apenas um tipo de reação, e não há nada de especial sobre essa reação em relação a qualquer outra."

Por mais comum que possa parecer para os físicos de partículas e para os astrofísicos, contudo, a aniquilação ainda é importante em suas pesquisas.

Algumas partículas, como os fótons, agem como suas próprias antipartículas. Os cientistas estão estudando os neutrinos para descobrir se esse também é o caso deles. Descobrir que os neutrinos possam se aniquilar com outros neutrinos pode dar uma pista importante no mistério do desequilíbrio entre matéria e antimatéria no Universo.

Os astrofísicos postularam que a aniquilação poderia nos ajudar a detectar indiretamente partículas de matéria escura, que tornaram sua presença conhecida apenas pela força da gravidade. Se partículas de matéria escura e antipartículas se aniquilarem, elas poderão converter sua energia em uma forma mais facilmente detectável.

"Nós vivemos em um oceano de matéria escura, então talvez devêssemos procurar seus produtos de aniquilação," sugere Tanedo, ele próprio um especialista na área, acreditando que forças escuras podem explicar a matéria escura, incluindo uma quinta força fundamental da natureza.

Em 2009, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi detectou uma inesperada radiação de raios gama difusa vinda do centro da Via Láctea. Os físicos que observaram essa radiação extra inicialmente suspeitaram que era um produto da aniquilação da matéria escura - e a matemática foi confirmada.

Mas, desde então, os astrofísicos não encontraram evidências para dar suporte a essa explicação. A energia pode vir de outra fonte, como pulsares ou um buraco negro. Um detector mais recente, o Espectrômetro Magnético Alfa, detectou alguns pósitrons de origem misteriosa, mas não há evidências decisivas de que sejam o resultado da aniquilação da matéria escura.

Ainda assim, a aniquilação da matéria escura pode estar acontecendo lá fora, e os físicos estão de olho nisso. "O mistério continua divertido," disse Tanedo.