Tony Melov / Fonte Científica
Um experimento realizado em átomos híbridos de matéria-antimatéria desafiou as expectativas dos pesquisadores.
Durante décadas, os pesquisadores brincaram com a antimatéria enquanto procuravam novas leis da física. Essas leis viriam na forma de forças ou outros fenômenos que favoreceriam fortemente a matéria sobre a antimatéria, ou vice-versa. No entanto, os físicos não encontraram nada de errado, nenhum sinal conclusivo de que as partículas de antimatéria – que são apenas os gêmeos de cargas opostas de partículas familiares – obedecem a regras diferentes.
Isso não mudou. Mas enquanto buscava experimentos de antimatéria de precisão, uma equipe tropeçou em uma descoberta intrigante. Quando banhados em hélio líquido, os átomos híbridos feitos de matéria e antimatéria se comportam mal. Enquanto o bufê do ensopado desorganizaria as propriedades da maioria dos átomos, os átomos de hélio híbrido mantêm uma uniformidade improvável. A descoberta foi tão inesperada que a equipe de pesquisa passou anos verificando seu trabalho, refazendo o experimento e discutindo sobre o que poderia estar acontecendo. Finalmente convencidos de que seu resultado é real, o grupo detalhou suas descobertas na Nature.
“É muito emocionante”, disse Mikhail Lemeshko, físico atômico do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria, que não esteve envolvido na pesquisa. Ele antecipa que o resultado levará a uma nova maneira de capturar e examinar formas indescritíveis de matéria. “Sua comunidade encontrará possibilidades mais empolgantes de capturar coisas exóticas.”
Resfriar Antiprótons
Uma maneira de avaliar as propriedades dos átomos e seus componentes é fazer cócegas neles com um laser e ver o que acontece, uma técnica chamada espectroscopia a laser. Um feixe de laser com a energia certa, por exemplo, pode empurrar brevemente um elétron para um nível de energia mais alto. Quando retorna ao seu nível de energia anterior, o elétron emite luz de um determinado comprimento de onda. “Esta é, se você quiser, a cor do átomo”, disse Masaki Hori, físico do Instituto Max Planck de Óptica Quântica que usa espectroscopia para estudar a antimatéria.
Em um mundo ideal, os experimentalistas veriam cada átomo de hidrogênio, digamos, brilhando com os mesmos tons nítidos. As “linhas espectrais” de um átomo revelam constantes naturais, como a carga do elétron ou quanto mais leve o elétron é do que o próton, com extrema precisão.
Mas o nosso mundo é falho. Os átomos giram, colidindo com átomos vizinhos de maneira caótica. O empurrão constante deforma os átomos, mexendo com seus elétrons – e, portanto, com os níveis de energia do átomo hospedeiro. Acenda um laser nas partículas distorcidas e cada átomo responderá de forma idiossincrática. As cores intrínsecas nítidas da coorte se perdem em manchas semelhantes a arco-íris.
Profissionais de espectroscopia como Hori passam suas carreiras lutando contra essa “ampliação” das linhas espectrais. Por exemplo, eles podem empregar gases mais finos onde as colisões atômicas serão mais raras – e os níveis de energia permanecerão mais puros.
É por isso que um projeto de hobby de Anna Sótér, na época estudante de pós-graduação de Hori, inicialmente parecia contra-intuitivo.
Em 2013, Sótér estava trabalhando no laboratório do CERN em um experimento de antimatéria. O grupo montaria átomos híbridos de matéria-antimatéria disparando antiprótons no hélio líquido. Os antiprótons são os gêmeos carregados negativamente dos prótons, então um antipróton pode ocasionalmente tomar o lugar de um elétron orbitando um núcleo de hélio. O resultado foi uma pequena coorte de átomos “antiprotônicos de hélio”.
Cortesia do Instituto Paul Scherrer/Scanderbeg Sauer Photography
O projeto foi projetado para ver se a espectroscopia em um banho de hélio era possível – uma prova de conceito para experimentos futuros que usariam átomos híbridos ainda mais exóticos.
Mas Sótér estava curioso sobre como os átomos híbridos reagiriam a diferentes temperaturas do hélio. Ela convenceu a colaboração a gastar a preciosa antimatéria repetindo as medições dentro de banhos de hélio cada vez mais frios.
“Foi uma ideia aleatória do meu lado”, disse Sótér, agora professor do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique. “As pessoas não estavam convencidas de que valia a pena desperdiçar antiprótons nele.”
Onde as linhas espectrais da maioria dos átomos teriam se descontrolado no fluido cada vez mais denso, ampliando-se talvez um milhão de vezes, os átomos de Frankenstein fizeram o oposto. À medida que os pesquisadores baixavam o banho de hélio para temperaturas mais geladas, a mancha espectral se estreitava. E abaixo de cerca de 2,2 kelvins, onde o hélio se torna um “superfluido” sem atrito, eles viram uma linha quase tão nítida quanto a mais apertada que haviam visto no gás hélio. Apesar de presumivelmente levar uma surra do ambiente denso, os átomos híbridos de matéria-antimatéria estavam agindo em uníssono improvável.
Sem saber o que fazer com o experimento, Sótér e Hori sentaram no resultado enquanto refletiam sobre o que poderia ter dado errado.
“Continuamos discutindo por muitos anos”, disse Hori. “Não foi tão fácil para mim entender por que esse era o caso.”
Por um triz
Com o tempo, os pesquisadores concluíram que nada havia dado errado. A linha espectral apertada mostrou que os átomos híbridos em hélio superfluido não estão experimentando colisões atômicas da maneira típica de uma bola de bilhar em um gás. A pergunta era por quê. Depois de consultar vários teóricos, os pesquisadores chegaram a duas razões possíveis.
Um envolve a natureza do ambiente líquido. O espectro atômico se estreitou abruptamente quando o grupo resfriou o hélio em um estado superfluido, um fenômeno da mecânica quântica em que os átomos individuais perdem sua identidade de uma maneira que lhes permite fluir juntos sem esfregar uns contra os outros. A superfluidez diminui as colisões atômicas em geral, então os pesquisadores esperam que os átomos estranhos experimentem apenas um leve alargamento ou mesmo uma quantidade limitada de aperto em alguns casos. “O hélio superfluido”, disse Lemeshko, “é a coisa mais macia conhecida na qual você pode mergulhar átomos e moléculas”.
Mas, embora o hélio superfluido possa ter ajudado os átomos híbridos a se tornarem mais isolacionistas, isso por si só não pode explicar o quão bem comportados eram os átomos. Outra chave para sua conformidade, acreditam os pesquisadores, foi sua estrutura incomum, provocada por seu componente de antimatéria.
Em um átomo normal, um minúsculo elétron pode se aventurar longe de seu átomo hospedeiro, especialmente quando excitado por um laser. Com uma trela tão solta, o elétron pode facilmente colidir com outros átomos, perturbando os níveis de energia intrínseca de seu átomo (e levando ao alargamento espectral).
Quando Sótér e seus colegas trocaram elétrons rápidos por antiprótons pesados, eles mudaram drasticamente a dinâmica do átomo. O antipróton maciço é muito mais caseiro, ficando perto do núcleo, onde o elétron externo pode abrigá-lo. “O elétron é como um campo de força”, disse Hori, “como um escudo”.
Ainda assim, essa teoria grosseira só vai tão longe. Os pesquisadores ainda não conseguem explicar por que o alargamento espectral se inverteu quando passaram de gás para líquido para superfluido, e não têm como calcular o grau de aperto. “Você precisa ser preditivo, caso contrário, não é uma teoria”, disse Hori. “É apenas um aceno de mão.”
Superferramentas
Enquanto isso, a descoberta abriu um novo campo para a espectroscopia.
Há limites para o que os experimentalistas podem medir usando gases de baixa pressão, onde os átomos se aproximam. Esse movimento frenético cria mais ampliação de distração, que os pesquisadores combatem diminuindo a velocidade dos átomos com lasers e campos eletromagnéticos.
Colar átomos em um líquido é uma maneira mais simples de mantê-los relativamente imóveis, agora que os pesquisadores sabem que molhar as partículas não destruirá necessariamente suas linhas espectrais. E os antiprótons são apenas uma espécie de partícula exótica que pode ser colocada em órbita ao redor de um núcleo de hélio.
O grupo de Hori já aplicou a técnica para fabricar e estudar o hélio “piônico”, no qual uma partícula “piônica” de vida extremamente curta substitui um elétron. Os pesquisadores fizeram as primeiras medições espectroscópicas do hélio piônico, que descreveram na Nature em 2020. Em seguida, Hori espera usar o método para trazer a partícula de kaon (um parente mais raro do píon) e a versão de antimatéria de um próton-nêutron par ao calcanhar. Tais experimentos podem permitir que os físicos meçam certas constantes fundamentais com precisão sem precedentes.
“Esta é uma nova capacidade que não existia antes”, disse Hori.
Publicado em 19/03/2022 08h16
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