Por que existe algo em vez de nada? Finalmente estamos produzindo antimatéria suficiente para extrair uma resposta – e isso também pode revelar o lado sombrio do universo
Claro, o big bang é legal, de uma maneira geral. O começo de todas as coisas: Espaço, tempo, matéria e energia surgindo a partir de um alfinete de temperatura e densidade infinitas. O espaço se afasta mais rápido que a velocidade da luz. Talvez até a criação de um multiverso.
Mas um segundo momento logo depois não recebe metade do destaque. Talvez seja porque é precisamente quando nada aconteceu. Chame de anti-momento.
É quando toda a matéria que surgiu súbita e inexplicavelmente no big bang, de maneira súbita e inexplicável, deixou de existir novamente. Quando não deixou de estar disponível para criar estrelas, galáxias, planetas, uma quantidade ilimitada de vida questionadora e, pelo menos em um mundo, alguns físicos altamente envergonhados que previram exatamente isso. “O fato de sermos um mundo completamente dominado pela matéria é completamente desconhecido”, diz Chloé Malbrunot no laboratório de física de partículas CERN, perto de Genebra, na Suíça. “A teoria diz que não deveríamos estar aqui.”
Depois de décadas tentando entender por que estamos aqui, agora poderíamos estar chegando a um avanço em várias frentes. E a resposta provavelmente não é a que pensamos primeiro. Existe ainda uma pequena chance de explicar não apenas o que aconteceu após o big bang, mas também grandes mistérios do nosso universo hoje, como a natureza da matéria escura e a energia escura. “Estamos a apenas um experimento de uma revolução em nosso entendimento”, diz Jeffrey Hangst, do CERN. “É isso que torna isso tão legal”.
A colaboração da ALPHA no CERN relata as primeiras medições de certos efeitos quânticos na antimatéria
As medições são consistentes com as previsões para matéria “normal” e preparam o caminho para futuros estudos de precisão.
A colaboração da ALPHA no CERN relatou as primeiras medições de certos efeitos quânticos na estrutura energética do anti-hidrogênio, a contraparte de hidrogênio da antimatéria. Sabe-se que esses efeitos quânticos existem na matéria, e estudá-los pode revelar diferenças ainda não observadas entre o comportamento da matéria e a antimatéria. Os resultados, descritos em um artigo publicado hoje na revista Nature, mostram que essas primeiras medições são consistentes com previsões teóricas dos efeitos no hidrogênio “normal” e abrem caminho para medições mais precisas dessas e de outras quantidades fundamentais.
“Encontrar alguma diferença entre essas duas formas de matéria abalaria os fundamentos do Modelo Padrão da física de partículas, e essas novas medições analisam aspectos da interação antimatéria – como a mudança de Lamb – que há muito esperamos abordar”, diz Jeffrey Hangst, porta-voz do experimento ALPHA. “O próximo passo da nossa lista é resfriar grandes amostras de anti-hidrogênio usando técnicas de resfriamento a laser de última geração. Essas técnicas transformarão os estudos de antimatéria e permitirão comparações sem precedentes de alta precisão entre matéria e antimatéria.”
A equipe ALPHA cria átomos de anti-hidrogênio, ligando antiprótons fornecidos pelo Antiproton Decelerator do CERN com antielétrons, mais comumente chamados de “positrons”. Em seguida, os confina em uma armadilha magnética em um vácuo ultra-alto, o que os impede de entrar em contato com a matéria e aniquilar. A luz do laser é então brilhada nos átomos presos para medir sua resposta espectral. Essa técnica ajuda a medir efeitos quânticos conhecidos, como a chamada estrutura fina e o deslocamento de Lamb, que correspondem a pequenas lascas em certos níveis de energia do átomo, e foram medidos neste estudo no átomo anti-hidrogênio pela primeira vez. A equipe usou anteriormente essa abordagem para medir outros efeitos quânticos no anti-hidrogênio, sendo o mais recente uma medida da transição Lyman-alfa.
A estrutura fina foi medida em hidrogênio atômico há mais de um século e lançou as bases para a introdução de uma constante fundamental da natureza que descreve a força da interação eletromagnética entre partículas carregadas elementares. A mudança de Lamb foi descoberta no mesmo sistema há cerca de 70 anos e era um elemento-chave no desenvolvimento da eletrodinâmica quântica, a teoria de como a matéria e a luz interagem.
A medição da mudança de cordeiro, que ganhou Willis Lamb o Prêmio Nobel de Física em 1955, foi relatada em 1947 na famosa conferência Shelter Island – a primeira oportunidade importante para os líderes da comunidade americana de física se reunirem após a guerra.
Nota técnica
Tanto a estrutura fina quanto o deslocamento de Lamb são pequenas dispersões em certos níveis de energia (ou linhas espectrais) de um átomo, que podem ser estudados com espectroscopia. A divisão da estrutura fina do segundo nível de energia do hidrogênio é uma separação entre os chamados níveis 2P3 / 2 e 2P1 / 2 na ausência de um campo magnético. A divisão é causada pela interação entre a velocidade do elétron do átomo e sua rotação intrínseca (quântica). O deslocamento clássico “Lamb” é a divisão entre os níveis 2S1 / 2 e 2P1 / 2, também na ausência de um campo magnético. É o resultado do efeito sobre o elétron das flutuações quânticas associadas aos fótons virtuais entrando e saindo da existência no vácuo.
Em seu novo estudo, a equipe ALPHA determinou a divisão da estrutura fina e a mudança de Lamb, induzindo e estudando transições entre o nível mais baixo de energia do anti-hidrogênio e os níveis 2P3 / 2 e 2P1 / 2 na presença de um campo magnético de 1 Tesla . Usando o valor da frequência de uma transição que eles mediram anteriormente, a transição 1S-2S e assumindo que certas interações quânticas eram válidas para o anti-hidrogênio, os pesquisadores deduziram de seus resultados os valores da divisão da estrutura fina e da mudança de Lamb . Eles descobriram que os valores inferidos são consistentes com as previsões teóricas das separações em hidrogênio “normal”, dentro da incerteza experimental de 2% para a divisão de estrutura fina e de 11% para o deslocamento de Lamb.
Publicado em 28/02/2020 08h21
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