Por Diana Kwon
Publicado na Symmetry Magazine
Antimatéria é assunto de ficção científica. No livro Anjos e Demônios, adaptado para o cinema, o professor Langdon tenta salvar o Vaticano de uma bomba de antimatéria. Já em Star Trek, a espaçonave Enterprise usa a aniquilação de matéria e antimatéria como propulsão para viagens “mais-rápidas-que-a-luz”.
Mas antimatéria é também assunto da realidade. As partículas da mesma são idêntica as da companheira matéria, exceto que a antimatéria carrega carga e spin (giro) oposto. Quando a antimatéria encontra a matéria convencional, elas se anulam imediatamente, resultando em energia.
Enquanto bombas de antimatéria e naves movidas à mesma são fantasiosas, ainda existem alguns fatos sobre antimatéria que vão atiçar seus neurônios.
1. Antimatéria deveria ter aniquilado toda a matéria do universo após o Big Bang
Na teoria, o big bang deveria ter criado matéria e antimatéria em quantidades iguais. Quando ambas se encontram, elas se neutralizam, deixando para trás nada mais que energia. Portanto, em princípio, nenhum de nós deveria existir.
Mas existimos. E até onde os físicos podem esclarecer, é só porque, no fim da expansão do espaço-tempo, havia uma partícula extra de matéria para cara 1 bilhão de pares de matéria e antimatéria. Os físicos estão dando duro tentando explicar essa assimetria.
2. A Antimatéria é mais próxima de você do que pensa
Pequenas quantidades de antimatéria caem constantemente na Terra em forma de raios cósmicos, ou seja, partículas energéticas do espaço. Essas partículas atingem nossa atmosfera, tendo um alcance variável de menos de um metro quadrado até cem metros quadrados. Cientistas também viram evidência de produção de antimatéria em trovoadas.
Mas outra fonte de antimatéria está ainda mais próxima. Por exemplo, bananas produzem-na, liberando um pósitron – a antimatéria equivalente de um elétron- a cada 75 minutos. Isso ocorre porque as bananas contém uma pequena quantidade de potássio-40, uma ocorrência natural do isótopo de potássio. Conforme o potássio-40 decai, ocasionalmente gera um pósitron no processo.
Nossos corpos também contém potássio-40, o que significa que pósitrons estão sendo emitidos de você também. Antimatéria se aniquila instantaneamente em contato com matéria, então essas partículas tem uma vida muito curta.
3. Humanos criaram apenas uma pequena quantidade de antimatéria
A anulação antimatéria-matéria nos dá o potencial de liberar grandes montantes de energia. Um grama de antimatéria poderia produzir uma explosão da magnitude da de uma bomba nuclear. No entanto, a humanidade produziu apenas uma minúscula quantia de antimatéria.
Todos os antiprótons criados no acelerador de partículas Tevatron, no Fermilab, somam 15 nanogramas. Aquelas feitas no CERN, na Suíça, totalizam 1 nanograma. No DESY, localizado na Alemanha, aproximadamente 2 nanogramas de pósitrons foram produzidos.
Se toda a antimatéria já feita por humanos fosse aniquilada de uma só vez, a energia produzida não seria suficiente nem para ferver água para um copo de chá.
O problema está na eficiência e custo da produção e armazenamento da antimatéria. Criar um grama de antimatéria iria requerer aproximadamente 25 milhões de bilhões de quilowatt-hora de energia e custaria mais de um milhão de bilhão de dólares. Enfim, não dá nem para imaginar.
4. Existe uma “armadilha” para antimatéria
Para estudá-la, você precisa evitar que ela se aniquile com matéria. Cientistas criaram maneiras para fazer exatamente isso.
Partículas de antimatéria carregadas como pósitrons e antiprótons podem ser mantidas através de dispositivos chamados Armadilhas de Penning. Elas são comparáveis a pequenos aceleradores. Lá dentro, partículas se movem em espiral, enquanto os campos elétrico e magnético impedem-nas de colidir com as paredes da armadilha.
Mas as armadilhas de Penning não funcionam em partículas neutras tais como anti-hidrogênio. Por não terem carga, elas não podem ser confinadas em campos elétricos. Ao invés disso, são mantidas em armadilhas de Loffe, que funcionam criando uma região do espaço onde os campos magnéticos ficam maiores e maiores em todas as direções. A partícula fica presa na área com campo magnético mais fraco, semelhante a uma bolinha de gude numa tigela, que sempre acaba rodando na parte mais funda.
O campo magnético da Terra também pode agir como uma armadilha de Antimatéria. Antiprótons foram encontrados ao redor da terra em zonas denominadas cintos de radiação de Van Allen.
5. Antimatéria pode “cair”
Antimatéria e partículas materiais têm a mesma massa mas propriedades diferentes como carga e spin (giro). O modelo padrão da física de partículas prevê que a gravidade deveria ter o mesmo efeito em matéria e antimatéria; entretanto, isso ainda não foi confirmado. Experimentos como AEGIS, ALPHA e GBAR estão dando duro para tentar desvendar esse mistério.
Observar o efeito gravitacional na antimatéria não é tão fácil de se observar quanto maçãs caindo de uma árvore. Esses experimentos precisam segurar essas partículas de antimatéria ou desacelerá-las, congelando-as à temperaturas que chegam a poucos graus acima do zero absoluto. E por que a gravitacional é a mais fraca das forças fundamentais, físicos precisam usar antimatéria neutra nessas experiências para prevenir a interferência de outras forças elétricas mais eficazes.
6. Antimatéria é estudada em desaceleradores
Você certamente já ouviu falar em aceleradores de partículas, mas você sabia que existem também desaceleradores de partículas? CERN abriga uma máquina chamada Desacelerador de Antiprótons, um armazém em forma de anel que pode capturar e reduzir a velocidade de antiprótons para estudar suas propriedades e comportamento.
Em aceleradores circulares como o LHC (Grande Colisor de Hádrons), partículas ganham um estímulo de energia a cada rotação que completam. Desaceleradores tem a lógica reversa; ao invés de energia que as impulsione, partículas tem uma redução em suas energias para tardar seus movimentos.
7. Neutrinos podem ter suas próprias antipartículas
Uma partícula material e a sua antimatéria carregam cargas opostas, tornando-as mais fáceis de distinguir. Neutrinos, partículas com quase nada de massa que raramente interagem com matéria, não possuem carga. Cientistas acreditam que eles podem ser partículas Majorana, uma classe hipotética de corpúsculos que seriam as próprias antipartículas.
Projetos como o Demonstrador Majorana e o EXO-200 têm o propósito de determinar se neutrinos são partículas Majorana, através de um comportamento chamado de duplo-decaimento-beta de neutrinos.
Alguns núcleos radioativos decaem simultaneamente, liberando dois elétrons e dois neutrinos. Se neutrinos são as próprias antipartículas, eles iriam aniquilar-se logo após o decaimento duplo, e os cientistas observariam apenas elétrons.
Achar neutrinos Majorana poderia ajudar a explicar porque a assimetria matéria-antimatéria existe. Físicos deixam aberta a hipótese de neutrinos Majorana serem tanto partículas pesadas, quanto serem como a luz. Os mais leves existem hoje, e os mais pesados teriam existido somente logo após o big bang. Esses maciços neutrinos Majorana teriam decaído assimetricamente, levando ao pequeno excesso de matéria que permitiu a existência do universo como o conhecemos.
8. Antimatéria é usada na medicina
PET (tomografia por emissão de pósitrons) usa pósitrons para produzir imagens de alta resolução do corpo humano. A emissão de isótopos radioativos de pósitrons (como os achados em batatas) estão diretamente ligados à substâncias químicas como a glicose, utilizada naturalmente por nosso organismo. Os mesmos isótopos são injetados na corrente sanguínea, onde são quebrados, liberando pósitrons que encontram elétrons no corpo e se aniquilam. As aniquilações produzem raios gama, usados na construção das imagens.
Cientistas no projeto ACE do CERN estudaram antimatéria como uma candidata em potencial para terapia de câncer. Físicos já descobriram que podem atingir tumores com feixes de partículas que liberarão sua energia somente após passar com segurança pelo tecido saudável. Usar antiprótons nos possibilita um salto extra na energia. A técnica foi efetiva nas células de roedores, mas pesquisadores ainda precisam conduzir os estudos em células humanas.
9. A antimatéria que deveria ter nos impedido de existir ainda pode estar vagando no espaço
Uma solução que cientistas buscam para o problema da assimetria matéria-antimatéria é procurando por antimatéria remanescente do Big Bang.
O Espectrômetro Magnético Alfa (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS em sigla) é um detector de partículas situado no topo da Estação Espacial Internacional que procura por essas partículas. O AMS contém campos magnéticos que curvam a trajetória das partículas cósmicas para separar matéria de antimatéria. Seus detectores avaliam e identificam as partículas enquanto elas passam pelos mesmos.
Colisões de raios cósmicos produzem rotineiramente pósitrons e antiprótons, mas a probabilidade de criar um átomo de anti-hélio é extremamente baixa devido à quantidade exorbitante de energia que seria necessária. Isso significa que a observação até de um singelo núcleo de anti-hélio seria uma forte evidência para a existência de grandes valores de antimatéria em algum outro lugar no universo.
10. Estão realmente estudando como abastecer espaçonaves com antimatéria
Apenas um punhado de antimatéria pode produzir uma quantidade imensa de energia, tornando-a um combustível popular para veículos futuristas na ficção científica.
Foguetes de propulsão de Antimatéria são hipoteticamente possíveis; a maior limitação é juntar antimatéria suficiente para fazer isso acontecer.
Atualmente, não há tecnologia disponível para produzir em massa ou coletar antimatéria em volumes necessários para aplicar em viagens espaciais. No entanto, um pequeno número de pesquisadores têm conduzido estudos e simulações acerca de propulsão e armazenamento. Os pesquisadores incluem Ronan Keane e Wei-Ming Zhang, que trabalharam na Western Reserve Academy e na Universidade Estadual de Kent, respectivamente; além de Marc Weber e seus colegas na Universidade Estadual de Washington. Um dia, se conseguirmos achar um meio para criar ou coletar grandes quantidades de antimatéria, os estudos destes indivíduos podem ajudar a viagem interestelar abastecida de antimatéria virar uma realidade.
