Um físico da Universidade da Califórnia, Riverside, realizou cálculos mostrando que bolhas esféricas ocas preenchidas com um gás de átomos de positrônio são estáveis ??no hélio líquido.
Os cálculos levam os cientistas um passo mais perto de realizar um laser de raios gama, que pode ter aplicações em imagens médicas, propulsão de naves espaciais e tratamento de câncer.
Extremamente de curta duração e apenas brevemente estável, o positrônio é um átomo semelhante ao hidrogênio e uma mistura de matéria e antimatéria – especificamente, estados ligados de elétrons e suas antipartículas chamadas positrons. Para criar um feixe de laser de raios gama, o positrônio precisa estar em um estado chamado condensado de Bose-Einstein – uma coleção de átomos de positrônio no mesmo estado quântico, permitindo mais interações e radiação gama. Esse condensado é o principal ingrediente de um laser de raios gama.
“Meus cálculos mostram que uma bolha de hélio líquido contendo um milhão de átomos de positrônio teria uma densidade numérica seis vezes maior que a do ar comum e existiria como um condensado de matéria-antimatéria de Bose-Einstein”, disse Allen Mills, professor do Departamento. de Física e Astronomia e único autor do estudo que aparece hoje na Physical Review A.
O hélio, o segundo elemento mais abundante do universo, existe apenas na forma líquida a temperaturas extremamente baixas. Mills explicou que o hélio tem uma afinidade negativa pelo positrônio; bolhas se formam no hélio líquido porque o hélio repele o positrônio. A longa vida útil do positrônio em hélio líquido foi relatada pela primeira vez em 1957.
Quando um elétron encontra um pósitron, sua aniquilação mútua pode ser um resultado, acompanhado pela produção de um tipo poderoso e energético de radiação eletromagnética chamada radiação gama. Um segundo resultado é a formação de positrônio.
Mills, que dirige o Laboratório Positron na UC Riverside, disse que o laboratório está configurando um feixe de antimatéria em uma tentativa de produzir as bolhas exóticas em hélio líquido que os cálculos de Mills prevêem. Tais bolhas poderiam servir como fonte de condensados ??de positrônio Bose-Einstein.
“Os resultados de curto prazo de nossos experimentos podem ser a observação de tunelamento de positrônio através de uma folha de grafeno, que é impermeável a todos os átomos de matéria comuns, incluindo o hélio, bem como a formação de um feixe de laser de átomo de positrônio com possíveis aplicações de computação quântica”, Mills disse.
Átomo de matéria e antimatéria
Metade matéria, metade antimatéria, os átomos de positrônio estão sempre no limiar da própria aniquilação.
Mas acaba de ser descoberta uma forma de fazer com que esses átomos instáveis durem muito mais, talvez o suficiente para criar um poderoso laser de raios gama.
Todos os átomos da Tabela Periódica consistem de átomos com um núcleo de prótons, carregados positivamente, orbitados pelo mesmo número de elétrons, carregados negativamente.
Mas o positrônio (Ps) é muito diferente: ele é formado por um elétron e um anti-elétron (um pósitron) orbitando um ao redor do outro.
Sendo a antimatéria do elétron, o pósitron tem carga positiva, como o próton – mas com apenas 0,0005 da sua massa.
Mas esse sistema binário é muito instável: um átomo de positrônio dura menos de um milionésimo de segundo, antes que o elétron e o pósitron se aniquilem, emitindo um pulso de raios gama.
Laser de raios gama
Quando o positrônio foi sintetizado pela primeira vez, os cientistas logo viram nele a ferramenta ideal para a criação de um laser de raios gama.
Um laser de raios gama emitirá um feixe de alta energia e comprimento de onda muito curto, capaz de sondar estruturas tão pequenas quanto o núcleo de um átomo – o comprimento de onda dos lasers tradicionais é muito maior, o que limita sua resolução.
O problema é manipular os átomos de positrônio para que eles se autodestruam de forma controlada, criando um laser de raios gama, e não um pipocar de pulsos de raios gama aleatórios.
Agora, uma equipe liderada por Christoph Keitel, do Instituto Max Planck, na Alemanha, afirmou que lasers comuns poderão ser usados para retardar a aniquilação dos átomos de positrônio.
Aniquilação controlada
Segundo os cientistas, o truque é tão simples quanto disparar sobre o átomo de positrônio um pulso de laser com a energia exata para levar o átomo de positrônio a um estado de energia mais elevado, no qual o elétron e o pósitron saltam para uma órbita que os coloca mais afastados um do outro.
Com isso, a aniquilação será muito menos provável, fazendo com que o átomo híbrido de matéria e antimatéria tenha uma vida mais longa.
Eventualmente os átomos de positrônio podem perder energia, emitindo fótons e retornando ao estado de energia anterior.
Contudo, a equipe calcula que a metade deles sobreviverá por 28 milionésimos de segundo, o que é 200 vezes mais do que a meia-vida de um átomo de positrônio deixado por contra própria.
Condensado de Bose-Einstein
Isto pode ser tempo suficiente para que os átomos de positrônio formem um condensado de Bose-Einstein, um estado comumente chamado de “átomo artificial”, porque os bilhões de átomos nessa nuvem agem praticamente como se fossem um só.
Assim, quando um deles se aniquilar, todo o restante seguirá o líder, emitindo um pulso de radiação laser feita de raios gama.
A vantagem da proposta é que, ao contrário dos átomos normais, que precisam ser resfriados até quase o zero absoluto para formarem um condensado de Bose-Einstein, devido aos efeitos quânticos, átomos de positrônio fazem o mesmo praticamente a temperatura ambiente.
Publicado em 07/12/2019
Artigos originais:
- https://phys.org/news/2019-12-gamma-ray-laser-closer-reality.html
- https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php
Estudo no Arxiv:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: