Mistério cresce: matéria e antimatéria são imagens espelhadas

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Um experimento relatado recentemente envolvendo matéria e antimatéria foi realizado no Antiproton Decelerator do CERN. Crédito: N. Kuroda.

Por Charles Choi
Publicado na Live Science

Cientistas descobriram com precisão sem precedentes que matéria e antimatéria parecem ser imagens espelhadas perfeitas uma da outra, frustrando qualquer esperança de resolver o mistério a respeito de porque há muito mais matéria do que antimatéria no universo.

A matéria comum é constituída de prótons, nêutrons ou elétrons. Estas partículas têm equivalentes conhecidos como antipartículas – antiprótons, antineutrons e pósitrons, respectivamente – que têm a mesma massa, mas a carga elétrica oposta (apesar de nêutrons e antineutrons possuirem carga neutra, eles são constituídos de partículas conhecidas como quarks que possuem cargas eléctricas parciais, e as cargas desses quark são iguais e opostas um ao outro em neutrons e antineutrons).

Sabemos que o universo é composto de matéria comum. O profundo mistério é qual o motivo do universo não ter de partes iguais de antimatéria,  já que o Big Bang (que acredita-se ter criado o universo há 13,7 bilhões de anos) produziu quantidades iguais de ambos. E se matéria e antimatéria parecem ser imagens espelhadas uma da outra em todos os aspectos, exceto sua carga elétrica, não deveria haver nenhuma delas – matéria e antimatéria se aniquilam ao se enconcotrarem.

Verificação de paridade de carga

Os físicos teóricos suspeitam que o extraordinário contraste entre as quantidades de matéria e antimatéria no universo, tecnicamente conhecida como assimetria bariônica, pode ser devido a alguma diferença entre as propriedades da matéria e antimatéria, formalmente conhecido como uma carga-paridade, ou violação da simetria CP. No entanto, todos os efeitos conhecidos que levam a violação da simetria CP não conseguem explicar a grande predominância da matéria sobre a antimatéria.

Possíveis explicações por trás deste mistério poderiam estar em diferenças nas propriedades da matéria e antimatéria – por exemplo, talvez antiprótons deterioram mais rapidamente que prótons. Se qualquer diferença for encontrada, ainda que pequena, “Isso vai naturalmente conduzir a consequências dramáticas para a nossa compreensão contemporânea das leis fundamentais da física”, disse Stefan Ulmer, físico de partículas do Institute of Physical and Chemical Research (RIKEN) do Japão, e principal autor do estudo, ao Live Science.

No teste mais rigoroso sobre as diferenças entre prótons e antiprótons, cientistas investigaram a proporção entre a carga elétrica e a massa em cerca de 6500 pares destas partículas durante um período de 35 dias. Para manter a antimatéria e matéria em contato, os pesquisadores prenderam prótons e antiprótons em campos magnéticos. Em seguida, mediram como essas partículas se movem de um modo cíclico naqueles campos, uma característica conhecida como frequência ciclotronica, que é proporcional tanto em relação a carga-massa dessas partículas quanto a força do campo magnético.

(Tecnicamente, os investigadores não usaram prótons simples nos experimentos, e sim íons de hidrogênio negativos, que consistem em um próton cercado por dois elétrons. Isto foi feito para simplificar os experimentos – antiprótons e íons de hidrogênio negativos são ambos carregados negativamente, e assim respondem da mesma forma a campos magnéticos. Os cientistas puderam facilmente explicar os efeitos que estes elétrons tiveram durante os experimentos).

Imagens espelhadas perfeitas

Os cientistas descobriram que a proporção carga-massa dos prótons e antiprótons “é idêntico dentro de apenas 69 partes por trilhão,” disse Ulmer em um comunicado. Esta medição é quatro vezes melhor do que as medições anteriores desta proporção.

Além disso, os pesquisadores também descobriram que as relações de carga-massa que eles mediram não variam mais de 720 partes por trilhão por dia, enquanto a Terra gira sobre seu eixo e viaja ao redor do Sol. Isto sugere que os prótons e antiprótons se comportam da mesma forma ao longo do tempo enquanto percorrem o espaço na mesma velocidade, significando que eles não violam o que é conhecido como carga-paridade-tempo ou simetria CPT.

A simetria CPT é um componente-chave do Modelo Padrão da física de partículas, a melhor descrição encontrada de como as partículas elementares que compõem o universo se comportam. Nenhuma violação conhecida da simetria CPT existe. “Qualquer violação CPT detectada terá enorme impacto na nossa compreensão da natureza”, disse Ulmer.

Além disso, essas proporções carga-massa não diferem em mais de 870 partes por bilhão no campo gravitacional da Terra. Isso significa que o princípio da equivalência fraco, que sustenta que toda a matéria cai na mesma taxa num mesmo campo gravitacional, também tem a este nível de precisão. O princípio da equivalência fraco é uma pedra angular da teoria de Einstein da relatividade geral, que entre outras coisas é a melhor explicação até agora de como funciona a gravidade. Nenhuma violação conhecida do princípio de equivalência fraco existe, e qualquer violação detectada poderia levar a uma revolução no entendimento científico da gravidade e do espaço-tempo, e como ambos se relacionam com a matéria e a energia.

Usando campos magnéticos mais estáveis e outras abordagens, os cientistas pretendem alcançar medições pelo menos 10 vezes mais precisas do que as que eles encontraram até agora, disse Ulmer.

Os cientistas detalharam suas descobertas mais recentes online em 13 de agosto na revista Nature.

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