Físicos do CERN concluem que momento magnético do próton e antipróton são equivalentes

Medição super-precisa mostra que o próton e o antipróton têm propriedades magnéticas idênticas.

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Por Cathal O’Connell
Publicado na Cosmos Magazine

Um dos grandes mistérios da física moderna é o porquê da antimatéria não ter destruído o universo no início dos tempos.

Para explicar isso, os físicos supõem que deve haver alguma diferença entre matéria e antimatéria – além da carga elétrica. Qualquer que seja a diferença, parece que não está em seu magnetismo.

Os físicos do CERN na Suíça fizeram a medição mais precisa do momento magnético de um antipróton – um número que mede como uma partícula reage à força magnética – e descobriu que ele é exatamente o mesmo que o do próton, mas com o sinal oposto. O artigo está descrito na Nature.

“Todas as nossas observações encontram uma simetria completa entre matéria e antimatéria, e é por isso que o universo não deveria existir”, diz Christian Smorra, físico da colaboração Baryon–Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) do CERN. “Uma assimetria deve existir em algum lugar, mas simplesmente não encontramos onde ela está”.

Experimento BASE no desacelerador de antipróton do CERN em Genebra. Crédito: Stefan Sellner, Fundamental Symmetries Laboratory, RIKEN, Japão.

A antimatéria é notoriamente instável – qualquer contato com matéria regular e elas são aniquiladas em uma explosão de energia pura que é a reação mais eficiente conhecida pela física. É por isso que ela foi escolhida como o combustível para alimentar a nave Enterprise em Star Trek.

O modelo padrão prevê que o Big Bang deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria – mas essa mistura deveria ter aniquilado ambas completamente, não deixando nada para formar galáxias, planetas ou pessoas.

Para explicar o mistério, os físicos têm buscado a diferença entre a matéria e a antimatéria – procurando por alguma discrepância que possa explicar por que a matéria veio a dominar.

Até agora, eles realizaram medições extremamente precisas para todos os tipos de propriedades: massa, carga elétrica e assim por diante, mas nenhuma diferença foi encontrada.

No ano passado, os cientistas do experimento Antihydrogen Laser PHysics Apparatus (ALPHA) do CERN examinaram um átomo de anti-hidrogênio com luz pela primeira vez, novamente não encontrando nenhuma diferença quando comparado com um átomo de hidrogênio.

Mas uma propriedade era conhecida apenas por uma precisão média em relação às outras – o momento magnético do antipróton.

Há dez anos, Stefan Ulmer e sua equipe na colaboração BASE se comprometeram a tentar medi-la precisamente.

Primeiro eles tiveram que desenvolver uma maneira de medir diretamente o momento magnético do próton comum. Eles fizeram isso prendendo prótons individuais em um campo magnético e dirigindo os saltos quânticos em sua rotação usando outro campo magnético. Essa medição foi em si mesma uma conquista inovadora relatada na Nature em 2014.

Em seguida, eles tiveram que realizar a mesma medição em antiprótons – uma tarefa duplamente difícil pelo fato de que os antiprótons se aniquilam imediatamente em contato com qualquer matéria.

Para fazê-la, a equipe usou a antimatéria mais fria e com a vida mais longa já criada.

Depois de criar os antiprótons em 2015, a equipe conseguiu armazená-los por mais de um ano dentro de uma câmara especial sobre o tamanho e a forma de uma lata de Pringles.

Uma vez que nenhum recipiente físico pode armazenar antimatéria, os físicos usam campos magnéticos e elétricos para conter o material em dispositivos chamados de armadilhas Penning.

Normalmente, a vida útil da antimatéria é limitada por imperfeições nas armadilhas – algumas instabilidades permitem que a antimatéria escape.

Mas usando uma combinação de duas armadilhas, a equipe do BASE fez a câmara de antimatéria mais perfeita de todos os tempos – armazenando os antiprótons por 405 dias.

Este armazenamento estável permitiu que eles executassem a medição do momento magnético nos antiprótons. O resultado deu um valor para o momento magnético do antipróton de -2.7928473441 μNN é uma constante chamada magneton nuclear). Além do sinal de menos, ele é idêntico à medição anterior para o próton.

A nova medida é precisa para nove dígitos significativos, o equivalente a medir a circunferência da Terra para dentro de alguns centímetros e 350 vezes mais precisa do que qualquer medição anterior.

“Este resultado é o ponto culminante de muitos anos de pesquisa e desenvolvimento contínuos e a conclusão bem sucedida de uma das medições mais difíceis já realizadas em um instrumento de armadilha Penning”, diz Ulmer.

O maior mistério do universo continua. O próximo experimento mais esperado excede o ALPHA, onde os cientistas do CERN estão estudando o efeito da gravidade da antimatéria – tentando descobrir se anti matéria pode ou não “cair”.

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