Pesquisador do CBPF comenta os resultados do ALPHA2, no CERN

O pesquisador titular do CBPF Nelson Pinto Neto, a convite do Núcleo de Comunicação Social, comenta resultados recentes relativos a medidas efetuadas em antiátomos de hidrogênio, produzidos e armazenados no maior laboratório científico da atualidade. Esse feito científico histórico conta com a participação de pesquisadores brasileiros.

Em 1928, o físico britânico Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) publicou sua famosa equação, que, para descrever o chamado elétron relativístico, combinava relatividade especial ‒ teoria que mudou nossas noções de espaço e tempo ‒ e mecânica quântica ‒ que lida com os fenômenos no diminuto universo atômico e subatômico.

Dois anos antes, o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) havia proposto a equação que leva hoje seu nome. Ela descreve como o estado de um sistema quântico (partícula, átomo, molécula etc.) evolui com o tempo. Porém, ela só é válida para cenários em que as velocidades associadas a esse sistema quântico são baixas quando comparadas à velocidade da luz no vácuo (300 mil km/s).

Já a equação de Dirac contempla um cenário mais abrangente e realista, onde as velocidades associadas ao sistema podem também ser arbitrariamente próximas da velocidade da luz no vácuo. Mesmo no caso do estado fundamental do átomo de hidrogênio, onde o elétron tem uma velocidade típica da ordem de um centésimo da velocidade da luz, pequenas correções relativísticas podem ser calculadas com a equação de Dirac ‒ mas não com a equação de Schrödinger ‒ e testadas no laboratório.

Dirac, no entanto, percebeu que a estrutura matemática de sua equação permitia soluções nas quais os elétrons poderiam ter energia negativa. Inicialmente, o físico britânico não atribuiu conteúdo físico a essa característica. Porém, ele acreditava firmemente que a elegância matemática de uma teoria poderia guiar os físicos na busca de fenômenos ainda desconhecidos. E isso teve consequências importantes para a física.

De fato, a equação de Dirac ‒ além de conter a equação de Schrödinger, como um caso particular ‒ acoplava de forma simples e elegante as simetrias já testadas, da relatividade restrita à mecânica quântica. Por essa razão, Dirac não rejeitou suas novas soluções. Pelo contrário, com um raciocínio engenhoso, chegou à conclusão de que essas novas possibilidades representavam partículas com as mesmas propriedades físicas do elétron, mas com carga contrária.

Dirac, propositor da equação do elétron relativístico

(Crédito: Wikimedia commons)

Surgiu, dessa forma, o conceito de pósitron. O mais impressionante é que a existência dessa partícula hipotética foi comprovada quatro anos depois, pelo físico Carl David Anderson (1905-1991), quando esse norte-americano examinou rastros deixados por raios cósmicos, que são núcleos atômicos ultraenergéticos que bombardeiam a atmosfera terrestre a todo instante.

A partir disso, constatou-se teórica e experimentalmente que toda partícula elementar tem sua própria antipartícula, constituindo o que hoje chamamos antimatéria. Por exemplo, o próton tem seu antipróton, este dotado da mesma massa, mas com carga elétrica contrária.

Esse foi um dos mais marcantes acontecimentos da história da física, evidenciando a relação misteriosamente profunda entre a matemática e a natureza.

Matéria versus antimatéria

A física das partículas elementares é atualmente descrita pela teoria quântica de campos, ferramental matemático poderoso que reproduz muito bem todos os fenômenos até hoje observados ao nível das partículas atômicas e subatômicas.

Segundo essa teoria, um mundo como o que vivemos que tivesse o sinal das cargas elétricas de todas as suas partículas trocado seria indistinguível fisicamente do nosso, caso fosse observado através de um espelho e utilizando relógios andando no sentido contrário.

Essa simetria entre esses dois mundos tem nome: CPT ‒ C, de conjugação (inversão) de carga elétrica; P, de paridade (imagem especular); e T, de reversão temporal. Investigá-la é testar os fundamentos da teoria quântica de campos.

Segundo a simetria CPT, tudo que acontece com a matéria deve também acontecer com a antimatéria. Entre outras coisas, um átomo de anti-hidrogênio ‒ formado por um antipróton e um pósitron ‒ deve ter as mesmas propriedades físicas que um átomo de hidrogênio usual. Entretanto, não se encontra em abundância antimatéria na natureza. Esse é um dos grandes mistérios da física, pois não há razão para existir muito mais matéria que antimatéria, caso a simetria CPT seja respeitada.

Portanto, qualquer violação da simetria CPT não só colocaria a teoria quântica de campos em grande dificuldade, mas também abriria caminho para uma explicação convincente para a grande assimetria na abundância de matéria e antimatéria no universo.

Além de quase não haver antimatéria disponível na natureza, é necessária muita energia para produzi-la. Ademais, ela é aniquilada rapidamente, ao menor contato com a matéria, resultando, dessa interação, grande produção de energia.

Resultado histórico

Mesmo com todas essas dificuldades, foi publicado recentemente, em Nature , o artigo 'Characterization of the 1S–2S transition in antihydrogen' [Caracterização da transição 1S-2S no anti-hidrogênio], com resultados notáveis e importantes relativos à física da antimatéria e à invariância CPT.

Aproveitando as grandes energias envolvidas no potente acelerador do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), em Genebra (Suíça), e a consequente produção de antiprótons e pósitrons, o aparato experimental ALPHA2 obteve por volta de 50 mil átomos de anti-hidrogênio, depois de colocar em contato 90 mil antiprótons e 3 milhões de pósitrons.

Em seguida, o experimento conseguiu confinar 20 desses átomos em uma câmara cilíndrica de vácuo quase perfeito à temperatura de 0,5 K (cerca de 273 graus celsius negativos), aprisionando-os radialmente com um campo elétrico e axialmente com um campo magnético.

Sucessivas etapas permitiram acumular átomos de anti-hidrogênio na câmara de vácuo, pois eles podem ficar confinados por mais de 60 horas. Expondo-os a uma radiação laser com a frequência correta (dita de ressonância), o pósitron ganharia energia e ‘saltaria’ de uma órbita menos energética (1S) para uma mais energética (2S). Com isso, os átomos deixariam de ficar confinados e seriam aniquilados ao colidir com a matéria nas paredes da cavidade, produzindo energia facilmente observada pelo detector do ALPHA2.

Isto de fato ocorreu, para uma frequência bem específica da radiação laser. A frequência de ressonância determinada no experimento concorda com a da transição 1S-2S do hidrogênio, com uma precisão relativa de 2 × 10 ⁻¹² (duas ordens de grandeza mais precisa que a obtida em medidas anteriores). Isso significa um erro de 5 kilohertz (5 kHz) para uma frequência de 2,5 × 10 ¹⁵ hertz.

Para se ter uma ideia, a medida da frequência para o anti-hidrogênio forneceu 2.466.061.103.079,4 kHz (com uma variação de 5,4 kHz para mais ou para menos), enquanto para o hidrogênio obtém-se 2.466.061.103.080,3 kHz (com variação de 0,6 kHz). Ou seja, uma concordância impressionante.

Visão geral do ALPHA2, no CERN, que fez medidas do anti-hidrogênio

(Crédito: ALPHA2 Collaboration/CERN)

Essa observação envolve uma física completamente diferente daquela usada em outras medidas de invariância CPT e é mais precisa em uma ordem de grandeza que o teste considerado padrão de invariância CPT na física de partículas, a medida de diferença de massas entre as partículas káons e suas antipartículas (antikáons).

Contribuíram de forma importante para esse resultado histórico do ALPHA2 os físicos brasileiros Cláudio Lenz Cesar, Rodrigo Lage Sacramento e Daniel de Miranda Silveira, pesquisadores do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Princípio da equivalência

Outro experimento de grande importância para os fundamentos da física que o ALPHA2 está realizando é testar o princípio da equivalência para a antimatéria, ou seja, verificar se esta ‘cai’ no campo gravitacional da mesma maneira que a matéria usual.

Como a equipe adquiriu a tecnologia de acumular átomos de anti-hidrogênio ‒ que são neutros e, portanto, insensíveis a flutuações do campo eletromagnético no interior da câmara onde estão confinados ‒, a ideia é comparar seu comportamento no campo gravitacional terrestre com átomos de hidrogênio.

Espera-se que o comportamento seja o mesmo, embora a invariância CPT tenha sido originalmente demonstrada apenas para as outras interações que não a gravitacional. Nesse caso, um desvio do princípio da equivalência, além de trazer outra perspectiva para a interação gravitacional e para a natureza última da antimatéria, poderia ser a causa da observada e enigmática assimetria matéria-antimatéria no universo.

Nelson Pinto Neto

Pesquisador titular

CBPF

Mais informações:

Artigo em Nature : https://www.nature.com/articles/s41586-018-0017-2

Alpha2: http://alpha.web.cern.ch/