A colaboração ALPHA/CERN relatou 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.

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O experimento da equipe do ALPHA no salão do desacelerador de antiprótons no CERN. Imagem: CERN.

Traduzido e adaptado por Julio Batista
Original do CERN

A Colaboração ALPHA/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 da antimatéria. Os resultados, descritos em um artigo publicado dia 19/02 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 quaisquer diferenças entre essas duas formas de matéria abalaria os fundamentos do Modelo Padrão da física de partículas, e essas novas medições analisam aspectos da interação com a antimatéria – como o Desvio de Lamb – que há muito tempo esperávamos abordar”, diz Jeffrey Hangst, porta-voz do experimento do 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 caminhos dos estudos da 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 desacelerador de antiprótons do CERN com antielétrons, mais comumente chamados de “pósitrons”. Em seguida, os confina em uma “armadilha magnética” em um ultra-alto vácuo, o que os impede de entrar em contato com a matéria e a aniquilar. A luz do laser é então reluzida nos átomos presos na armadilha para medir sua resposta espectral. Essa técnica ajuda a medir efeitos quânticos conhecidos, como a chamada estrutura fina e o Desvio de Lamb, que correspondem a pequenas “divisões” m certos níveis de energia do átomo, e foram medidos neste estudo no átomo de 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. O Desvio de Lamb foi descoberto no mesmo sistema há cerca de 70 anos e foi um elemento-chave para a desenvolvimento da eletrodinâmica quântica, a teoria de como a matéria e a luz interagem.

A medição do Desvio de Lamb, que rendeu a Willis Lamb o Prêmio Nobel de Física em 1955, foi descria em 1947 na famosa Conferência de Shelter Island – a primeira oportunidade que os líderes da comunidade estadunidense de física tiveram para se reunirem após a Segunda Guerra.

Nota técnica

Tanto a estrutura fina quanto o Desvio de Lamb são pequenas dispersões em certos níveis de energia (ou linhas espectrais) de um átomo, que podem ser estudadas 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 Desvio de Lamb “clássico” 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 do ALPHA determinou a divisão da estrutura fina e a Desvio 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 do Desvio de Lamb. Eles descobriram que os valores inferidos são consistentes com as previsões teóricas das divisões no hidrogênio “normal”, dentro da incerteza experimental de 2% para a divisão de estrutura fina e de 11% para o Desvio de Lamb.

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