Dan Brown estudou física de partículas!

Foi por volta de 1985, nas aulas de Estrutura da Matéria da Ester Regina Vitale e depois nas aulas de Física Nuclear do Marcelo Damy que tomei conhecimento da existência da antimatéria. Sua existência foi sugerida hipoteticamente por Paul Dirac em 1928 e descoberta experimentalmente por Carl Anderson em 1931.

Mas só tomei conhecimento de sua existência no 3º ano do bacharelado em física!

Hoje é impossível escrever as equações do Modelo Padrão de Partículas (o melhor que temos até agora para descrever a matéria) sem levar em consideração as antipartículas.

Não sei se Paul Dirac estava procurando equações para um modelo de estrutura da matéria; o que sei é que ele estava muito focado em entender como elétrons de alta energia se comportam dentro e fora dos átomos. E deduzindo equações desse comportamento, chegou numa equação bem estranha que previa a existência de uma partícula idêntica ao elétron, mas com energia negativa! Isso mesmo!

Dirac então, corajosamente, sugeriu que a equação descrevia uma partícula com o mesmo comportamento do elétron exceto por uma propriedade: carga elétrica. A carga da partícula tinha o mesmo valor da carga do elétron, porém positiva!

Tal partícula foi denominada pósitron, posteriormente.

Lá por volta de 1931, Carl Anderson estava investigando raios cósmicos numa câmara de nuvens.

Câmara de nuvens. 

Quando uma partícula de alta energia penetra na câmara, deixa um rastro de condensação. Se são carregadas eletricamente é possível desvia-las (curva-las de modo que façam um movimento circular) com um campo magnético aplicado externamente, e era exatamente isso que Anderson estava fazendo.

O físico Carl Anderson trabalha, em 1937, um ano depois de ganhar o Nobel, em seu laboratório. (foto: Wikimedia Commons)

Numa de suas infinitas medidas, Anderson percebeu que uma partícula curvou para a esquerda, ao contrário dos elétrons. Os prótons já eram conhecidos desde 1919, e era sabido que possuíam massa cerca de 2000 vezes maior que o elétron. Aquela curvatura não era de um próton! Um próton descreveria um círculo grande, com raio grande! E aquela partícula estava descrevendo um círculo de raio igual ao do elétron!

Depois de 6 mil fotos, Anderson tomou coragem para divulgar seus resultados: ele havia detectado um espantoso elétron positivo – o pósitron. Ganhou em Nobel em 1936 por essa descoberta.

Segundo o Modelo Padrão, todas as partículas de spin 1/2 detectadas até agora têm sua antipartícula. O grande problema de detecta-las ou mantê-las presas num recipiente é que ao se encontrarem com seus pares, se aniquilam! No caso do pósitron, é muito fácil acontecer uma aniquilação logo após sua criação já que o espaço em volta tem muitos elétrons. Ao encontrar com um elétron, ambos desaparecem tal que suas massas se convertem em energia eletromagnética (fótons! Vale lembrar da equivalência entre massa e energia de Einstein).

Ainda assim, é possível acondiciona-los em campos magnéticos, pois dessa forma ficam girando em torno de um eixo (sem encostar nas paredes do recipiente) e não encontram elétrons para aniquilar.  Essa propriedade – aniquilação – é tão intrigante que em 2000 Dan Brown usou-a em seu romance Anjos e Demônios para atormentar e destruir o Vaticano. Não conseguiu. O dr. Robert Langdon dei um jeitinho de levar a antimatéria para o céu e lá explodiu.

O processo de produção de pósitrons a partir da incidência de radiação gama em átomos pesados foi dominado na década de 60, e a partir disso foi possível utilizar os pósitrons em outras aplicações, tais como o PET scanner.

Depois da descoberta do antielétron houve uma intensa busca por outras antipartículas: antiprótons, antinêutrons e por aí vai… e todas elas existem.

Ora, se um átomo é um sistema bem equilibrado de prótons, nêutrons e elétrons, será que existe  antiátomo? Um sistema de antipartículas? Antimatéria formada por antiátomos?

Há cerca de 23 anos, 1995, o CERN conseguiu produzir anti-hidrogênio. Era de se esperar que começassem pela antipartícula do hidrogênio, já que é o átomo mais simples que existe: um próton e um elétron.  Um átomo de anti-hidrogênio é formado por um pósitron (uma versão positivamente carregada do elétron) orbitando um antipróton, carregado negativamente.

Por ter carga neutra, esse antiátomo escapa dos campos e se aniquila ao entrar em contato com a parede do aparato, emitindo simultaneamente píons e dois fótons de 511 keV cada.

Átomos que recebem energia extra, podem converte-la em luz. Antiátomos emitiriam luz?

E finalmente chegamos à notícia!

Ontem, 04/04/2018 a Nature trouxe um artigo de um experimento do Centro Europeu para Pesquisa Nuclear  (CERN) em que se obteve a medição direta mais precisa de antimatéria na história da ciência.

Pela primeira vez se conseguiu isolar anti-hidrogênio e excita-lo para  medir o espectro de emissão de luz de um átomo de antimatéria, mais especificamente.

E o espectro do átomo de anti-hidrogênio é exatamente o que a teoria previa: o mesmo espectro do átomo de hidrogênio.

Por que isso é importante?

Porque os modelos atuais que tentam explicar a criação e evolução do universo pressupõem que na criação havia a mesma quantidade de partículas e antipartículas. Esta é uma propriedade que os físicos adoram – simetria!

Se hidrogênio e anti-hidrogênio tem o mesmo espectro então há grande chance de a simetria estar correta. Porém, não podemos esquecer que hoje há a ausência de antimatéria no universo.

Isso significa que a busca continua!

Agora, o que não me sossega é que, em pleno 2018, a escola não explica a existência de antimatéria.

Que física é essa que está na escola? 

 

Cristiane Tavolaro

Sou física, professora e pesquisadora do departamento de física da PUC-SP. Trabalho com Ensino de Física, atuando principalmente em ensino de física moderna, ótica física, acústica e novas tecnologias para o ensino de física. Sou membro fundadora do GoPEF - Grupo de Pesquisa em Ensino de Física da PUC-SP e co-autora do livro paradidático Física Moderna Experimental, editado pela Manole.

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