Desde que a existência da antimatéria foi proposta no início do século 20, os cientistas procuraram entender como se relaciona com a matéria normal e por que há um aparente desequilíbrio entre os dois no Universo. Para fazer isso, a pesquisa de física de partículas nas últimas décadas concentrou-se no antipartícula do átomo mais elementar e abundante do Universo - a partícula anti-hidrogênio.
Até recentemente, isso era muito difícil, pois os cientistas conseguiam produzir anti-hidrogênio, mas incapazes de estudá-lo por muito tempo antes de serem aniquilados. Mas, de acordo com um estudo recente publicado em Natureza, uma equipe que utilizou o experimento ALPHA conseguiu obter as primeiras informações espectrais sobre anti-hidrogênio. Essa conquista, que durou 20 anos, poderia abrir uma era totalmente nova de pesquisa em antimatéria.
Medir como os elementos absorvem ou emitem luz - isto é, espectroscopia - é um aspecto importante da física, química e astronomia. Não apenas permite que os cientistas caracterizem átomos e moléculas, como permite que os astrofísicos determinem a composição de estrelas distantes analisando o espectro da luz que emitem.
No passado, muitos estudos foram conduzidos no espectro de hidrogênio, que constitui aproximadamente 75% de toda a massa bariônica no Universo. Eles desempenharam um papel vital em nossa compreensão da matéria, energia e evolução de várias disciplinas científicas. Mas, até recentemente, estudar o espectro de sua antipartícula era incrivelmente difícil.
Para iniciantes, exige que as partículas que constituem o anti-hidrogênio - antiprótons e pósitrons (anti-elétrons) - sejam capturadas e resfriadas para que possam se unir. Além disso, é necessário manter essas partículas por tempo suficiente para observar seu comportamento, antes que elas inevitavelmente façam contato com a matéria normal e se aniquilem.
Felizmente, a tecnologia progrediu nas últimas décadas até o ponto em que a pesquisa em antimatéria é agora possível, proporcionando aos cientistas a oportunidade de deduzir se a física por trás da antimatéria é consistente com o Modelo Padrão ou vai além. Como a equipe de pesquisa do CERN - liderada pelo Dr. Ahmadi do Departamento de Física da Universidade de Liverpool - indicou em seu estudo:
“O Modelo Padrão prevê que deveria haver quantidades iguais de matéria e antimatéria no Universo primordial após o Big Bang, mas observa-se que o Universo de hoje consiste quase inteiramente de matéria comum. Isso motiva os físicos a estudarem cuidadosamente a antimatéria, para ver se há uma pequena assimetria nas leis da física que governam os dois tipos de matéria. ”
A partir de 1996, essa pesquisa foi conduzida usando o experimento AnTiHydrogEN Apparatus (ATHENA), parte da instalação do CERN Antiproton Decelerator. Esse experimento foi responsável por capturar antiprótons e pósitrons e depois resfriá-los até o ponto em que eles podem se combinar para formar anitidrogênio. Desde 2005, essa tarefa se tornou responsabilidade do sucessor do ATHENA, o experimento ALPHA.
Usando instrumentos atualizados, o ALPHA captura átomos de anti-hidrogênio neutro e os mantém por um período mais longo antes que eles inevitavelmente se aniquilem. Durante esse tempo, as equipes de pesquisa conduzem análises espectrográficas usando o laser ultravioleta do ALPHA para verificar se os átomos obedecem às mesmas leis que os átomos de hidrogênio. Como Jeffrey Hangst, porta-voz da colaboração ALPHA, explicou em uma atualização do CERN:
“Usar um laser para observar uma transição no anti-hidrogênio e compará-lo ao hidrogênio para ver se eles obedecem às mesmas leis da física sempre foi um objetivo-chave da pesquisa em antimatéria ... É fácil mover e aprisionar antiprótons ou pósitrons é fácil porque são partículas carregadas. Mas quando você combina os dois, obtém-se um anti-hidrogênio neutro, o que é muito mais difícil de capturar, por isso criamos uma armadilha magnética muito especial que se baseia no fato de que o anti-hidrogênio é um pouco magnético. ”
Ao fazer isso, a equipe de pesquisa foi capaz de medir a frequência da luz necessária para fazer com que um pósitron passasse do nível mais baixo de energia para o próximo. O que eles descobriram foi que (dentro dos limites experimentais) não havia diferença entre os dados espectrais do anti-hidrogênio e os do hidrogênio. Esses resultados são experimentais primeiro, pois são as primeiras observações espectrais já feitas de um átomo anti-hidrogênio.
Além de permitir comparações entre matéria e antimatéria pela primeira vez, esses resultados mostram que o comportamento da antimatéria - em relação às suas características espectrográficas - é consistente com o Modelo Padrão. Especificamente, eles são consistentes com o que é conhecido como simetria de tempo de paridade de carga (CPT).
Essa teoria de simetria, fundamental para a física estabelecida, prevê que os níveis de energia na matéria e na antimatéria seriam os mesmos. Como a equipe explicou em seu estudo:
“Realizamos a primeira medição espectroscópica a laser em um átomo de antimatéria. Essa é uma conquista muito procurada na física de antimatéria de baixa energia. Ele marca um ponto de viragem, desde experimentos de prova de princípio até sérias comparações de metrologia e precisão de CPT usando o espectro óptico de um anti-átomo. O resultado atual ... demonstra que testes de simetrias fundamentais com antimatéria no AD estão amadurecendo rapidamente. ”
Em outras palavras, a confirmação de que matéria e antimatéria têm características espectrais semelhantes é mais uma indicação de que o Modelo Padrão se mantém - exatamente como a descoberta do Bóson de Higgs em 2012. Também demonstrou a eficácia do experimento ALPHA na captura de partículas de antimatéria, o que trará benefícios para outros experimentos anti-hidrogênio.
Naturalmente, os pesquisadores do CERN ficaram muito animados com essa descoberta e espera-se que tenha implicações drásticas. Além de oferecer um novo meio de testar o Modelo Padrão, espera-se também que ajude os cientistas a entender por que existe um desequilíbrio entre matéria e antimatéria no Universo. Mais um passo crucial para descobrir exatamente como o Universo como nós o conhecemos.
