Anti Materia

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Revista abordando a antimatéria

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    Uma diminuta quantidade de antimatria roubada do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN). Objetivo: us-la para destruir o Vaticano. Esse o mote de Anjos e Demnios, do escritor norte-americano Dan Brown, tambm autor do sucesso Cdigo Da Vinci. O livro transformado recentemente em fi lme apenas uma das repercusses artsticas de uma grande descoberta da fsica: a existncia da antimatria, tema ainda hoje intensamente debatido na comunidade cientfi ca.

    Cerca de oito dcadas depois da deteco da primeira antipartcula, os fsicos ainda se perguntam: por que o universo observado atualmente tem somente matria? Por que a antimatria desapareceu?

    ignacio Bediaga Coordenao de Fsica experimental de Altas Energias (Lafex)Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas (RJ)

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    No incio do universo, matria e antimatria foram criadas na mesma proporo. Basicamente, para cada partcula havia sua antipartcula correspondente, ou seja, para cada eltron foi criado um psitron; para cada quark, um antiquark e assim por diante. Esse cenrio dominou o universo logo depois da exploso primordial, comumente denominada Big Bang.

    Quando uma partcula encontra sua antipartcula correspondente (um eltron interage com um psitron, por exemplo), as duas se aniquilam, transformandose em energia. Esta, por sua vez, se transforma, de novo, em um par de matria e antimatria. Essa ideia, baseada nas atuais teorias das partculas elementares (reunidas no chamado modelo padro), nos permite criar uma imagem dinmica daquele cenrio inicial: um imenso movimento frentico de criao e aniquilao, envolvendo bilhes de bilhes de pares de partcula e antipartcula. Tudo isso a temperaturas altssimas, expressa por nmeros com cerca de 30 zeros.

    Depois de passar por um perodo de expanso muito rpida, o universo esfriou com mais intensidade, e o processo de criao de matria e antimatria ficou dificultado. A aniquilao passa a dominar completamente o cenrio: a energia (luz) criada nesse momento paira at hoje no universo. Denominada radiao csmica de fundo, ela pode ser entendida como um eco daquele cenrio inicial.

    Dcimos de milsimos de segundo depois do Big Bang, parte das partculas, os quarks, passa a se combinar, formando os brions (compostos por trs quarks, como os prtons e os nutrons) e os msons (um par quarkantiquark). Formaramse tambm os antibrions, como antiprtons e antinutrons. Lptons e antilptons (eltron, mon, tau, neutrino e suas respectivas antipartculas) ainda seguem se movimentando livremente (figura 1). Matria e antimatria continuam se aniquilando furiosamente. tomos e antitomos tm ainda dificuldade em se formar, em funo do alto estado de agitao de seus componentes bsicos (eltrons e quarks; psitrons e antiquarks).

    A ANTIMATRIAe o UNIVERSO

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    Artefato em que a antimatria (ponto luminoso) armazenada no lme Anjos e Demnios

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    E aqui nossa histria comea a ficar mais interessante. Uma pequena parte da matria sobrevive a esse processo de aniquilao. essa poro nfima que hoje forma todo o universo conhecido, com bilhes de galxias, cada uma com bilhes de estrelas, com planetas e todo o resto. Portanto, ns, humanos, temos nossa origem naquela mnima frao de matria que sobreviveu no incio do universo.

    A viso esquemtica da histria contada at aqui pode ser vista na figura 2.

    Aps este prembulo, surgem duas perguntas:i) O que a antimatria?ii) O que aconteceu com a antimatria do universo?Sabemos a resposta para a primeira. Mas ainda

    no temos como responder segunda, embora experimentos que comeam agora prometam resulta dos que talvez nos ajudem a entender essa questo.

    EnErgia nEgativa?A descoberta da existncia da antimatria um dos captulos mais surpreendentes da fsica do sculo passado. Em 1928, o fsico ingls Paul Dirac (19021984) apresentou uma teoria para o comportamento do eltron com base nas duas grandes teorias da fsica moderna: a mecnica quntica, que trata dos fenmenos no universo atmico e subatmico, e da relatividade restrita, que lida com fenmenos envolvendo velocidades prximas da luz no vcuo (300 mil km/s).

    A equao de Dirac como ficou conhecida tinha uma soluo que descrevia, com preciso, o comportamento do eltron. Mas outra apontava para algo completamente inusitado: um eltron com energia negativa. E isso no fazia e ainda no faz! o menor sentido.

    Energia negativa?Depois de muitas especulaes, o prprio Dirac

    teve a coragem de afirmar que aquela soluo estava indicando a existncia de uma partcula com a mesma massa do eltron, mas com carga eltrica oposta. Ou seja, um eltron positivo, mais tarde denominado psitron. Seis meses depois, ainda em 1931, o fsico norteamericano Carl Anderson (19051991) observou o psitron em um experimento. Era a primeira evidncia da realidade da antimatria.

    Uma das principais caractersticas do eltron, alm de sua pequena massa e carga eltrica, o spin, que, para o propsito deste artigo, pode ser imaginado como a rotao do eltron. Embora Dirac tenha escrito a equao dele para o eltron, na verdade ela servia para todas as partculas que tivessem spin semelhante ao do eltron (no linguajar da fsica, spin igual a 1/2). Consequentemente, se todas as partculas com esse spin obedeciam equao de Dirac, elas necessariamente tinham que ter tambm uma antipartcula correspondente. E assim aconteceu.

    Desde a descoberta do psitron at hoje, todas as partculas de spin 1/2 detectadas tm sua antipartcula. E no foram poucas: o prton, o nutron, o mon, o tau (estes dois ltimos, so parentes pesa dos do eltron), o lambda, entre dezenas de outras inclusive os quarks, que obedecem a essa surpreendente consequncia da equao de Dirac.

    Outro resultado importante: sempre que fazemos uma coliso em um acelerador de partculas, criamos, na exata proporo, o mesmo nmero de partculas e de antipartculas. Essa simetria na produo de matria e antimatria nunca foi violada em nenhu ma das centenas de experincias, com milhes de colises produzidas, em mdia, nos experimentos em aceleradores de partculas. Esses resultados, aliados ao desenvolvimento das teorias sobre as trs foras fundamentais que regem o mundo das partculas elementares (a fora forte, a fraca e a eletromagntica), nos levou convico de que, no incio do universo, a quantidade de partculas elementa res era idntica de antipartculas elementares.

    E a antimatria do univErso?Se o universo foi criado dessa maneira (ou seja, com a mesma quantidade de matria e antimatria), o que aconteceu, no meio do caminho, que fez com que hoje s exista matria? Como desapareceu a antimatria?

    Essas questes seguramente so difceis de serem respondidas pelos cientistas. Temos somente pistas de como isso aconteceu, mas nada definitivo. Algo

    Figura 1. Quarks, lptons e suas respectivas antipartculas

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    realmente revolucionrio ter que aparecer nas prximas experincias e no desenvolvimento das prximas teorias para dar conta desse mistrio.

    Na realidade, temos que fazer uma importante ressalva: no incio, antes que houvesse o rpido processo de resfriamento do universo, o nmero de partculas de matria e de antimatria era imensamente superior ao existente hoje. Ou seja, nosso universo atual tem massa infinitamente inferior aquela do universo primordial. O testemunho disso a igualmente imensa quantidade de ftons observados atualmente no espao, produzidos, como dissemos, por meio da aniquilao entre partculas e suas antipartculas.

    Depois da criao desses ftons, o universo continuou se expandindo, o que perdura at hoje. Por um lado, essa expanso foi reduzindo a temperatura do universo; por outro, fez com que esses ftons ficassem igualmente distribudos no espao e dotados de energias muito parecidas. Essas consequncias do modelo de criao do universo se confirmaram experimentalmente de forma espetacular: observouse que a radiao csmica de fundo tem energia praticamente homognea que, traduzida em temperatura, corresponde a uma variao extremamente pequena, entre 2,7248 kelvin e 2,7252 kelvin (zero kelvin corresponde a 273 graus celsius negativos).

    Experimentos de grande preciso estimaram tambm que, para cada partcula de matria no universo de hoje (ou seja, para cada prton, nutron ou eltron existentes), temos o impressionante

    valor de 20 bilhes de ftons. justamente essa razo que nos permite pensar que o universo j teve uma massa imensamente maior que a atual.

    CondiEs dE sakharovPara tentar explicar essa pequena sobra de matria aps a grande aniquilao, o fsico russo Andrei Sakharov (19211989), prmio Nobel da Paz de 1975, por seu papel como dissidente pacifista e defensor dos direitos humanos na antiga Unio Sovitica, props duas condies necessrias para que houvesse a sobrevivncia da matria:

    i) o prton e o antiprton teriam que se desintegrar, ou seja, se transformarem em outras partculas;ii) essa desintegrao teria que ocorrer com mais frequncia para as antipartculas que para as partculas, ou seja, deve haver uma assimetria entre matria e antimatria. No artigo original, Sakharov chama a ateno

    para o seguinte: o fato de nenhuma das duas condies terem at ento sido observadas experimentalmente (o artigo foi publicado em 1967) poderia ser consequncia de que ela