Dez factos que pode não saber sobre antimatéria Understand article

Traduzido por Pedro Augusto. A antimatéria inspirou muitas histórias de ficção científica, mas os factos fascinantes aqui apresentados mostram que a antimatéria não está só reservada para a fantasia.

Ilustração abstrata de
partículas de alta energia em
colisão

GiroScience/Shutterstock.com

No livro Angels and Demons, o professor Langdon tenta salvar a Cidade do Vaticano de uma bomba de antimatéria. E no Caminho das Estrelas, a colisão de matéria com antimatéria fornece a energia propulsora da nave Enterprise para velocidades superiores à da luz. Mas a antimatéria não é só matéria de ficção científica – enquanto estes cenários são remotos, ainda existem muitos factos sobre antimatéria que vão fazer comichão nos seus neurónios.

1. A antimatéria deveria ter aniquilado toda a matéria do Universo

As partículas de antimatéria são quase idênticas às suas ‘semelhantes’ de matéria, exceto terem uma carga elétrica e spin opostos. As partículas de matéria e antimatéria são produzidas como um par e quando se encontram aniquilam-se imediatamente uma à outra, deixando apenas energia para trás.

Isto significa que o Big Bang deveria ter criado e destruído quantidades iguais destas partículas. Então, porque existimos num Universo feito quase inteiramente de matéria? Tanto quanto julgam os físicos, isto é devido a, no final, existir uma partícula de matéria extra para cada bilião (109) de pares matéria-antimatéria. Os físicos estão a trabalhar arduamente para explicar esta assimetria.

2. A antimatéria está mais próxima do que o que se pensa

Há uma chuva constante de pequenas quantidades de antimatéria sobre a Terra na forma de raios cósmicos – partículas energéticas do espaço. Estas partículas de antimatéria chegam à nossa atmosfera a um ritmo que vai das menos de uma por quilómetro quadrado por século até mais de 10 000 por metro quadrado por segundo. Os cientistas também já encontraram provas da produção de antimatéria por cima de trovoadas.

Modelos atómicos de matéria
e antimatéria mostrando as
partículas e as suas
respetivas cargas

chromatos/Shutterstock.com 

Mas há outras fontes de antimatéria ainda mais próximas de casa. Por exemplo, as bananas podem libertar um positrão – a antimatéria equivalente ao eletrão – aproximadamente todos os 75 minutos. Isto acontece porque as bananas contêm uma pequena quantidade de potássio-40, um isótopo do potássio que ocorre naturalmente. Quando o potássio-40 decai, ocasionalmente cospe um positrão no processo.

Os nossos corpos também contêm potássio-40, o que significa que há também positrões emitidos por nós. A antimatéria é imediatamente aniquilada no contacto com a matéria pelo que estas partículas de antimatéria vivem muito pouco tempo.

3. O ser humano apenas criou uma pequena quantidade de antimatéria

As aniquilações matéria-antimatéria têm potencial para libertar imensas quantidades de energia. Um grama de antimatéria poderia produzir uma explosão do tamanho da de uma bomba nuclear.

Os cientistas criam antimatéria para estudar em experiências mas a quantidade produzida é minúscula. Todos os antiprotões criados no acelerador de partículas (agora inativo) Tevatron do Fermilab somam apenas 15 nanogramas e os criados no CERN até agora apenas cerca de 1 nanograma.

O problema reside na eficiência e custo de produção e armazenamento de antimatéria. Fazer 1 grama de antimatéria requeriria cerca de 25 milhões biliões (1015) de quilowatt-horas de energia e custaria mais de milhões de biliões de dólares.

4. Existe algo chamado de ratoeira de antimatéria

Para se estudar antimatéria, deve-se evitar que seja aniquilada pela matéria. Os cientistas conseguem tal segurando partículas carregadas, tais como positrões e antiprotões, em aparelhos designados de ratoeiras de Penning. Estas ratoeiras são comparáveis a pequenos aceleradores. Dentro, as partículas descrevem espirais enquanto campos magnéticos e elétricos evitam que colidam com as paredes da ratoeira.

Mas as ratoeiras de Penning não funcionam com partículas neutras tais como o antihidrogénio. Por não terem carga elétrica, estas partículas não podem ser confinadas por campos elétricos. Em vez disso, são presas por ratoeiras de Ioffe, que aproveitam as propriedades magnéticas da partícula. As ratoeiras de Ioffe funcionam ao criarem uma região no espaço onde o campo magnético se torna maior em todas as direções. A partícula é atraída para a zona com o campo magnético mais fraco da mesma forma que um berlinde que rola ao longo de uma taça eventualmente chega ao fundo.

5. A antimatéria pode cair para cima

As partículas de matéria e de antimatéria têm a mesma massa mas diferem em propriedades como carga elétrica e spin. O Modelo Standard – a teoria que melhor descreve as partículas e as suas interações – prevê que a gravidade deve ter o mesmo efeito na matéria e na antimatéria; contudo, isto ainda tem de ser visto. Há experiências no CERN, tais como AEGIS, ALPHA e GBAR, que estão a tentar descobri-lo.

Observar o efeito da gravidade na antimatéria não é propriamente tão fácil como observar uma maçã a cair de uma árvore. Estas experiências precisam de segurar a antimatéria numa ratoeira ou abrandá-la por arrefecimento até temperaturas ligeiramente acima do zero absoluto. E, por a gravidade ser a mais fraca das forças fundamentais, os Físicos devem usar partículas de antimatéria sem carga nestas experiências, de forma a evitar a interferência da mais poderosa força elétrica.

6. A antimatéria é estudada em desaceleradores de partículas

Já ouviu falar de aceleradores de partículas mas sabia que também existem desaceleradores de partículas? O CERN alberga uma máquina chamada de desacelerador de antiprotões, um anel de armazenamento que consegue capturar e fazer abrandar antiprotões para estudar as suas propriedades e comportamento.

Em aceleradores de partículas circulares como o Large Hadron Collider, as partículas recebem um piparote de energia de cada vez que completam uma rotação. Os desaceleradores funcionam ao contrário; em vez de um piparote energético, as partículas recebem um empurrão para trás de forma a diminuirem as suas velocidades.

O desacelerador de antiprotões no CERN desacelera antiprotões antes de os enviar para várias experiências que estudam antimatéria.
Maximilien Brice/CERN

7. Os neutrinos podem ser as suas próprias antipartículas

Uma partícula de matéria e a sua companheira de antimatéria levam cargas elétricas opostas, tornando fácil a sua distinção. Os neutrinos – partículas praticamente sem massa que raramente interagem com a matéria – não têm carga. Os cientistas acreditam que eles possam ser partículas Majorana, uma classe hipotética de partículas que são as suas próprias antipartículas.

De forma a averiguar se é este o caso, os cientistas estão à procura de um comportamento a que se chama duplo-decaimento beta sem neutrinos. Alguns núcleos radioativos decaem simultaneamente, libertando dois eletrões e dois neutrinos. Se os neutrinos forem as suas próprias antipartículas, aniquilar-se-ão um ao outro após o duplo-decaimento e os cientistas observariam apenas eletrões.

Encontrar neutrinos Majorana poderia ajudar a explicar porque existe a assimetria matéria-antimatéria. Os Físicos colocam a hipótese alternativa dos neutrinos Majorana ou serem pesados ou leves. Os leves existem hoje e os pesados teriam existido apenas imediatamente depois do Big Bang. Estes neutrinos Majorana pesados teriam decaído assimetricamente, levando ao pequeníssimo excesso de matéria que permitiu que o nosso Universo exista.

8. A antimatéria é usada em Medicina

A tomografia de emissão de positrões usa positrões para produzir imagens de alta-resolução do corpo. Isótopos radioativos emissores de positrões (como os que se encontram nas bananas) estão agarrados a substâncias químicas tais como a glicose, que são naturalmente usadas pelo corpo. Estes compostos são injetados na corrente sanguínea onde são naturalmente decompostos, libertando positrões que encontram eletrões no corpo. Estas partículas aniquilam-se uma à outra, produzindo raios gama que são usados para construir imagens.

Os médicos já conseguem alvejar tumores com feixes precisos de protões que apenas largam a sua energia em segurança depois de passarem através de tecido saudável. Mas os cientistas que trabalham na experiência celular antiprotão (ACE) no CERN estudaram a eficiência e adequação do uso alternativo de antiprotões, o que acrescenta um turbo extra de energia. A técnica foi demonstrada como eficiente em células de hamster mas os investigadores ainda têm de fazer estudos com células humanas.

Na experiência celular antiprotão (ACE) no CERN, um feixe de partículas entra num tubo de células no centro de um tanque de forma a investigar o uso de antimatéria no tratamento do cancro.
Maximilien Brice/CERN

9. Restos de anti-matéria ainda podem existir no espaço

De forma a resolver o problema da assimetria antimatéria-matéria, os cientistas estão à procura de antimatéria que tenha restado depois do Big Bang. Procuram estas partículas utilizando o espetrómetro de partículas alfa (AMS), um detetor de partículas no topo da Estação Espacial Internacional.

O AMS contém campos magnéticos que curvam o percurso de raios cósmicos de forma a separar a matéria da anti-matéria. Os seus detetores verificam e identificam as partículas conforme estas passam.

10. A antimatéria pode alimentar naves espaciais

Apenas um punhado de antimatéria poderia produzir uma imensa quantidade de energia, tornando-a num combustível popular em veículos futuristas de ficção científica.

A propulsão de foguetões com antimatéria é hipoteticamente possível, mas não existe, no momento, tecnologia disponível para a sua produção em massa ou para recolher antimatéria no volume necessário. Um dia, se conseguirmos descobrir uma forma de criar ou recolher suficiente antimatéria, viagens insterestelares propulsionadas a antimatéria podem tornar-se realidade.

Agradecimento

Este artigo foi reproduzido com a amável autorização da revista Symmetry w1, na qual foi originalmente publicado.

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Web References

  • w1 – A revista Symmetry é uma publicação online gratuita que cobre Física de Partículas. É publicada juntamente pelo Fermi National Accelerator Laboratory e pelo SLAC National Accelerator Laboratory, EUA. Para ver o artigo original, visite o Symmetry website.

Author(s)

Diana Kwon é uma jornalista de ciência freelance com base em Berlim, Alemanha. O seu trabalho já apareceu quer em papel quer online em numerosas revistas, incluindo ScientificAmerican, Quartz New Scientist.


Review

Este artigo fornece uma boa visão da antimatéria, dando exemplos de como as antipartículas são importantes para as nossas vidas e como elas podem tornar-se ainda mais importantes para a nossa sociedade. Tenta tornar a antimatéria mais próxima da nossa existência quotidiana, mostrando como pequenas partículas de antimatéria são produzidas na Terra em torno de nós e até mesmo por nós.

Escrito num estilo que estimula a pesquisa, o artigo não só oferece um bom ponto de partida para tópicos relacionados com Física de Partículas mas também pode ser utilizado para o início de discussões entre os alunos. Estes podem considerar como interagem a ficção científica e a ciência – e qual antecipa a outra – e o artigo pode ligar-se a disciplinas não-científicas tais como à História, Literatura e Arte.


Marco Nicolini, professor de Física, Matemática e Astronomia, jornalista de ciência, European School of Brussels II, Bélgica




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