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A corrida para revelar os segredos da antimatéria

Na sombra do Grande Colisor de Hádrons, seis equipes competem para responder a uma das questões existenciais mais profundas do Universo

CERN
Em um hangar de teto alto no CERN, seis experimentos rivais estão na corrida para entender a natureza de um dos materiais mais elusivos do Universo. Eles ficam a poucos metros de distância um do outro. Em alguns lugares, estão literalmente em cima uns dos outros: o feixe metálico de um cruza com o de outro, como as escadas de um shopping, seu suporte de concreto de multi-toneladas ameaçadoramente pendurado sobre suas cabeças.

“Estamos constantemente lembrando uns dos outros”, diz Michael Doser, físico que lidera o AEGIS, um experimento que está tentando ser o primeiro a descobrir como a antimatéria - rara imagem espelhada da matéria - responde à gravidade.

Doser e seus competidores têm pouca escolha além de ficarem juntos. O CERN, o grande laboratório europeu de física de partículas próximo a Genebra, na Suíça, possui a única fonte do mundo de antiprótons - partículas as quais parecem idênticas a prótons em todos os aspectos, exceto por terem carga e spin opostas. O Desacelerador de Antiprótons do laboratório é um anel, com 182 metros, que se alimenta dos mesmos aceleradores que o maior e mais famoso irmão no laboratório: o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês). Os antiprótons encontra na máquina viajando próximos à velocidade da luz. Como o nome indica, o desacelerador desacelera as partículas, fornecendo um fluxo de antiprótons que os experimentos usam em esquema de revezamento. Isso precisa ser feito com cuidado; ao se encontrar com a matéria, as antipartículas desaparecem em um sopro de energia.

Durante décadas, cientistas trabalharam para identificar antiprótons, e os átomos de anti-hidrogênio feitos a partir deles, que tenham uma vida longa o suficiente para que possam ser estudados. Os últimos anos viram avanços rápidos: físicos experimentais agora têm controle suficiente para começar a sondar a antimatéria seriamente e realizar medições cada vez mais precisas de suas propriedades fundamentais e sua estrutura interna. Jeffrey Hangst, que lidera o experimento conhecido como ALPHA, diz que, ao menos em princípio, sua equipe agora pode fazer com anti-hidrogênio tudo o que os outros fazem com hidrogênio. “Trabalhei 25 anos até chegarmos a este momento”, ele diz.

Muita coisa pode ser esclarecida pelos experimentos: mesmo uma ligeira diferença entre as propriedades da matéria e a antimatéria pode explicar por que nós existimos. Pelo que os físicos sabem, a matéria e a antimatéria deveriam ter sido criadas em quantidades iguais no Universo primitivo e, então, uma deveria ter consumido a outra no nada. Mas isso não aconteceu, e a origem desse desequilíbrio fundamental continua sendo um dos maiores mistérios da física.

É improvável que os esforços do CERN resolvam o caso a curto prazo. Até agora, a antimatéria se mostrou muito parecida com a matéria, e muitos físicos pensam que permanecerá assim, porque qualquer diferença abalaria os fundamentos da física moderna. Contudo, os seis experimentos, os mais recentes em uma linha de investigação que começou há mais de 30 anos no CERN, atraem a atenção, já que o LHC continua sem resultados na sua busca por partículas que poderiam explicar o paradoxo da antimatéria. Além disso, os avanços rápidos das equipes na manipulação de antimatéria renderam uma grande atualização nas instalações da fábrica de antiprótons - um desacelerador de ponta que começará a operar até o final deste ano e, eventualmente, permitirá que os experimentos funcionem com até 100 vezes mais partículas.

As dezenas de físicos trabalhando nos experimentos do CERN sabem que encaram um difícil desafio. A antimatéria é exasperante para trabalhar, a competição entre equipes é intensa e as chances de encontrar algo novo parecem pequenas. Mas os competidores pela antimatéria no CERN são motivados pela emoção de abrir uma nova janela no Universo. "Estes são experimentos são uma tal proeza que, independentemente da resposta que se obtenha, pode-se orgulhar de fazer parte", diz Hangst. Não há garantia de que a antimatéria produzirá uma grande descoberta. Porém, "se pudermos por as mãos em alguma quantidade dela", ele diz, "seria completamente reprovável não observar".

O fato da matéria

As raízes da física da antimatéria vem de 1928, quando o físico britânico Paul Dirac escreveu uma equação que descrevia um elétron que se movia próximo da velocidade da luz. Dirac percebeu que precisava haver uma solução positiva e negativa para sua equação. Mais tarde, ele interpretou essa peculiaridade matemática como sugestão da existência de um anti-elétron, agora chamado de pósitron, e teorizou que equivalentes de antimatéria deveriam existir para cada partícula.

O experimentalista Carl Anderson confirmou a existência do pósitron em 1932, quando encontrou uma partícula que parecia um elétron, exceto que, quando percorreu um campo magnético, sua trajetória se inclinava na direção oposta. Os físicos logo perceberam que os pósitrons eram produzidos rotineiramente em colisões: amasse partículas com energia suficiente e parte dessa energia pode se transformar em pares de matéria-antimatéria.

Na década de 1950, os pesquisadores começaram a explorar essa conversão de energia em partículas para produzir antiprótons. Contudo, levaram décadas para encontrar uma maneira de produzir antiprótons suficientes para serem capturados e estudados. Uma motivação foi a tentadora idéia de que antiprótons e pósitrons poderiam ser combinados para produzir anti-hidrogênio, o que poderia, então, ser comparado com o átomo de hidrogênio, já bem estudado.

A criação de pósitrons é bastante direta. As partículas são produzidas em certos tipos de decaimento radioativo e podem ser facilmente capturadas com campos elétricos e magnéticos. Já o antipróton, de massa superior, é outra história. Os antiprótons podem ser feitos lançando prótons em um metal denso, mas eles emergem de tais colisões movendo-se rápido demais para serem pegos por uma armadilha eletromagnética.

Os caçadores de antimatéria precisavam de uma maneira de diminuir, ou esfriar, as partículas em grande escala. A primeira tentativa no CERN para desacelerar e armazenar a antimatéria começou em 1982, com o Anel de Antiprótons de Baixa Energia (LEAR, na sigla em inglês). Em 1995, ano anterior ao lançamento do LEAR, uma equipe utilizou antiprótons da instalação para produzir os primeiros átomos de anti-hidrogênio.

O substituto do LEAR, o Desacelerador de Antiprótons, entrou em funcionamento em 2000 com três experimentos. Semelhante ao seu antecessor, ele doma antipartículas, primeiro focalizando-as usando ímãs e depois desacelerando-as com campos elétricos fortes. Feixes de elétrons também trocam calor com os antiprótons, esfriando, mas não os tocando porque os tipos de partículas são carregados negativamente e, assim, repelem-se mutuamente. O processo geral retarda os antiprótons para um décimo da velocidade da luz. Isso ainda é rápido demais para se trabalhar, então cada um dos seis experimentos usa técnicas para desacelerar e aprisionar os antiprótons.

Há um grande desgaste ao longo do caminho. Cada "tiro" de 30 milhões de antiprótons dados a um experimento começa esmagando-se 12 trilhões de prótons em um alvo. No momento em que o experimento ALPHA de Hangst, por exemplo, desacelerou seus antiprótons o suficiente para emparelhá-los com pósitrons e criar anti-hidrogênio, sobraram apenas 30 partículas; o restante escapou, foi aniquilado ou descartado porque eram muito rápidos ou estavam em condições erradas para se estudar. Realizar experimentos com um número tão pequeno de antiátomos é uma dor real, segundo Hangst: "Você adquire uma nova atitude sobre todo o resto da física quando tem que trabalhar com essas coisas."

Corrida pelo prêmio

Pesquisas sobre antimatéria no CERN terão no futuro a concorrência da Instalação para Pesquisa de Antiprótons e Íons, um complexo internacional de aceleradores de US$1,16 bilhões em Darmstadt, na Alemanha, que será finalizado por volta de 2025. Mas, por enquanto, o CERN possui o monopólio da produção de antiprótons lentos o bastante para serem estudados.

Hoje, existem cinco experimentos sendo feitos na instalação de antimatéria (um deles, o GBAR, ainda está sendo construído). Cada um possui sua maneira de trabalhar com antiprótons, e embora alguns façam experimentos únicos, eles frequentemente competem para medir as mesmas propriedades e corroboram independentemente os valores uns dos outros.

Os experimentos compartilham um feixe, o que significa que em qualquer período de duas semanas, apenas três dos cinco experimentos obtêm tempo de feixe, cada um tomando sua vez em um turno de oito horas. Uma reunião semanal de coordenação garante que cada experimento saiba quando o ímã dos vizinhos estará funcionando, de modo a não arruinar medições sensíveis. Contudo, apesar da proximidade, as equipes geralmente descobrem os avanços feitos pelas outras lendo sobre eles em um artigo. "A base disso é a competição, e isso é bom. Motiva você", diz Hangst.

Hoje, apenas um dos seis experimentos - o BASE - estuda diretamente os antiprótons do Desacelerador de Antiprótons. O BASE mantém as partículas em uma armadilha de Penning, uma complexa série de campos elétricos (que fixam as partículas verticalmente) e campos magnéticos (o que os faz orbitar em círculo). A equipe pode armazenar antiprótons por mais de um ano e usou as órbitas de antiprótons na armadilha para determinar a relação carga-massa da partícula com precisão de registro. O grupo também utiliza um método complexo para revelar o momento magnético do antipróton - semelhante ao seu magnetismo intrínseco. A medida envolve a troca rápida de partículas individuais entre duas armadilhas separadas e a detecção de alterações causadas por minúsculos deslocamentos em um campo oscilante de microondas. Dominar a técnica tornou-se uma paixão para o líder em colaboração Stefan Ulmer, físico da RIKEN em Wako, no Japão. "Meu coração inteiro está nisto", ele diz.

O anti-hidrogênio, estudado pelos outros experimentos no CERN, vem com seus próprios desafios. Por ter uma carga neutra, é imune aos campos elétricos e quase impossível de ser controlado. Os experimentos devem explorar as propriedades magnéticas fracas dos anti-átomos, restringindo as partículas com uma "garrafa magnética". Para que esta garrafa funcione, os campos magnéticos dentro dela devem variar bastante em uma pequena distância, mudando por um tesla - a força de um ímã de elevação de carro - em apenas um milímetro. Mesmo assim, os átomos de anti-hidrogênio devem ter uma temperatura inferior a 0,5 kelvin, ou eles escaparão.

Os primeiros átomos de anti-hidrogênio, criados a partir de antiprótons em movimento, duraram cerca de 40 bilionésimos de segundo. Em 2002, dois experimentos - o ATRAP e o ATHENA, predecessor ao ALPHA - tornaram-se os primeiros a desacelerar os antiprótons o suficiente para produzir quantidades significativas de anti-hidrogênio, acumulando muitos milhares de átomos cada. O grande avanço aconteceu quase uma década depois, quando as equipes aprenderam a aprisionar os antiátomos durante mais alguns minutos. Desde então, mediram propriedades como carga e massa, além de utilizarem luz de laser para sondar níveis de energia. Na página 66 da edição desta semana da revista Nature, o ALPHA informa o seu último avanço: a atual medida mais precisa da estrutura hiperfina do anti-hidrogênio - as pequenas alterações de energia interna causadas pelas interações entre seus antiprótons e pósitrons.

Juntos, os experimentos do CERN exploram uma gama de propriedades da antimatéria, cada uma das quais poderia mostrar uma diferença em relação à matéria. O objetivo de todos eles é continuar diminuindo as incertezas, segundo o veterano da antimatéria Masaki Hori. Ele lidera o experimento ASACUSA, que utiliza lasers para estudar antiátomos em voo, livre das forças disruptivas das armadilhas. No ano passado, a equipe fez uma medida precisa da proporção entre a massa do antipróton e do elétron usando átomos exóticos de hélios, nos quais um antipróton toma o lugar de um elétron. Assim como outras medições até agora, ela não mostrou diferença alguma entre matéria e antimatéria. Porém, cada resultado é um teste mais rigoroso sobre se matéria e antimatéria realmente são imagens espelhadas.

Que diferença isso faz?

Se os experimentos detectassem qualquer diferença entre matéria e antimatéria, seria uma descoberta radical. Significaria a violação de um princípio chamado simetria reversa de carga, paridade e tempo (CPT, na sigla em inglês). De acordo com esse princípio, um Universo de imagens espelhadas, cheio de antimatéria e em que o tempo corre para trás, terá as mesmas leis da física que as nossas. A simetria CPT é a espinha dorsal das teorias, assim como a relatividade e a teoria do campo quântico. Romper com isso, de certa forma, quebraria a física. Na verdade, apenas teorias exóticas prevêem que os experimentos de antimatéria encontrarão qualquer coisa.

Por essa razão, os físicos do LHC tendem a ver os pesquisadores de antimatéria ao lado "com confusa atenção", diz Doser, que trabalha com antimatéria há 30 anos. "Eles acham que isso é divertido e interessante, mas improvável de levar a algo novo", segundo ele. Urs Wiedemann, teórico do CERN, parece confirmar isso. Ele diz que a habilidade dos experimentos para manipular a antimatéria é "incompreensível" e que tais testes de teoria são essenciais, mas "se você perguntar se há uma motivação física firme de que, com alguma precisão, algo novo será descoberto, acho que uma declaração justa é `não`.”

Ainda assim, o LHC foi um pouco melhor na resolução do mistério de antimatéria. Experimentos da década de 1960 mostraram que alguns processos físicos, como o decaimento das partículas tipo káons em outras mais familiares, têm pequena vantagem a favor da produção de matéria. Experimentos do LHC têm caçado mais essa vantagem, e até mesmo uma série de partículas ainda não descobertas, cujo comportamento no Universo primitivo poderia ter somado ao enorme desequilíbrio de matéria-antimatéria que permanece ainda hoje. Houve boas razões para suspeitar que tais partículas existam: a supersimetria, uma teoria proposta para amarrar algumas pontas soltas preocupantes na física de partículas, as previu. Entretanto, nenhuma delas apareceu em oito anos de busca. Agora, as versões mais simples e elegantes da supersimetria - as que tornaram a idéia atraente em primeiro lugar - foram amplamente descartadas. "Hoje, o LHC está procurando partículas hipotéticas, as quais podem ou não estar lá, com pouca orientação da teoria. De certa forma, esta é a mesma situação em que estamos ", diz Doser.

Algumas equipes estão pulando para o próximo grande desafio: a corrida para medir a aceleração da antimatéria sob a gravidade. Os físicos geralmente esperam que a antimatéria caia exatamente como a matéria. Mas algumas teorias prevêem que ela tenha "massa negativa" - seria repelida, ao invés de atraída, pela matéria. A antimatéria com esta propriedade pode explicar os efeitos da energia e da matéria escuras, cujas identidades ainda são desconhecidas. Porém, a maioria dos principais teóricos dizem que tal Universo seria intrinsecamente instável.

Para cima é para baixo

Medir o anti-hidrogênio em queda livre será, como sempre, uma questão de torná-lo frio o bastante. Mesmo as mais pequenas flutuações térmicas vão mascarar o sinal de um átomo caindo. E apenas partículas neutras, como o anti-hidrogênio, podem ser utilizadas, porque mesmo fontes distantes de campos eletromagnéticos podem expor partículas carregadas a forças maiores do que a gravidade.

No ano que vem, o grupo do Hangst pretende utilizar tecnologia comprovada - uma versão vertical de seu experimento ALPHA - para obter uma determinação definitiva sobre se a antimatéria cai para cima ou para baixo. "Obviamente acho que seremos os primeiros a ter sucesso, ou eu não entraria nisso", ele diz. Mas dois outros experimentos - o AEGIS, de Doser, e o membro mais recente da instalação da antimatéria, o GBAR - estão próximos da equipe nessa corrida. Ambos usam técnicas de refrigeração por laser para aumentar a precisão, o que lhes permitirá capturar diferenças mais sutis entre a aceleração da antimatéria e da matéria em relação ao que o ALPHA atualmente pode. O AEGIS medirá a curva de um feixe horizontal de anti-hidrogênio, enquanto o GBAR deixará seus antiátomos livres caírem por 20 centímetros. Os dois pretendem trazer a temperatura dos antiátomos para alguns milésimos de grau acima do zero absoluto, permitindo medições de aceleração gravitacional tão sensíveis quanto 1 parte em 100, além de planejarem avançar ainda mais.

No final deste ano, a GBAR será a primeira a se beneficiar do ELENA, um novo anel de 30 metros de circunferência, com valor de US$ 26 milhões, que fica dentro do Desacelerador de Antiprótons e é projetado para desacelerar ainda mais os antiprótons vindos da máquina. Eventualmente, o ELENA fornecerá partículas para todos os experimentos quase simultaneamente. Os antiprótons serão mais lentos por um fator de sete e chegarão em feixes mais nítidos. Porque eles serão resfriados mais eficientemente em estágios iniciais, os experimentos devem ser capazes de aprisionar mais partículas.

Agora que as equipes podem manipular e testar a antimatéria, diz Hangst, mais e mais físicos estão se interessando pelo trabalho. Eles até lançaram ideias para experimentos e valores a serem verificados. Os grupos estão olhando para fora, para as maneiras pelas quais suas tecnologias podem ajudar outras áreas de pesquisa. A equipe do GBAR, por exemplo, está trabalhando em uma armadilha portátil para levar antiprótons a um experimento do CERN chamado ISOLDE, onde podem ser utilizados para mapear os nêutrons em átomos radioativos instáveis.

Supondo que um impasse técnico não interrompa o progresso, Doser considera que, até o final dos anos 2020, físicos terão experiência o suficiente no tratamento de antimatéria para poder replicar uma série de feitos da física atômica, incluindo a construção de relógios atômicos de antimatéria. "Eu vejo muitas idéias surgindo agora, e isso é um sinal de que o campo está avançando rapidamente", ele diz. "Espero que o CERN nunca me mande embora, porque eu tenho planos para os próximos 30 anos."

Elizabeth Gibney, Nature

Este artigo é reproduzido com permissão e foi originalmente publicado em 2 de agosto de 2017.
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