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Físicos enxergam "mau comportamento" de matéria e antimatéria

Experimentos no LHC revelam distinções sutis no modo como matéria e antimatéria decaem

NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU)
Um dos maiores mistérios na física é por que há matéria no Universo. Esta semana, um grupo de físicos do maior acelerador de partículas do mundo, o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), pode ter se aproximado de uma resposta. Eles descobriram que partículas de uma mesma família, como os prótons e os nêutrons que compõem os objetos com que estamos acostumados, se comportam de maneira ligeiramente diferente de seus homólogos de antimatéria.

Embora matéria e antimatéria possuam as mesmas propriedades, partículas de antimatéria carregam cargas opostas às partículas de matéria. Em um bloco de ferro, por exemplo, os prótons são positivamente carregados e os elétrons, negativamente. Um bloco de antimatéria de ferro teria antiprótons carregados negativamente e antielétrons (conhecidos como pósitrons), positivamente. Se matéria e antimatéria entram em contato, aniquilam uma a outra e se transformam em fótons (ou, ocasionalmente, algumas partículas leves como os neutrinos). Além disso, um pedaço de matéria e um de antimatéria deveriam se comportar da mesma forma e até parecerem o mesmo - um fenômeno chamado simetria de carga-paridade (CP, na sigla em inglês).

Além do comportamento idêntico, a simetria CP também implica que as quantidades de matéria e a de antimatéria formadas no Big Bang, por volta de 13,7 bilhões de anos atrás, deveriam ter sido iguais. Certamente não foram, porque se esse fosse o caso, toda a matéria e antimatéria no Universo teriam sido aniquiladas no começo, e até mesmo os humanos não estariam aqui.

Contudo, se houve uma violação nessa simetria - o que significa que um pedaço de antimatéria se comportaria de uma forma diferente de sua matéria homóloga - talvez essa diferença pudesse explicar por que existe matéria hoje.

Para procurar essa violação, físicos do LHC, um anel de 27 quilômetros embaixo da Suíça e da França, observaram uma partícula chamada bárion lambda. Bárions incluem a classe de partículas que compõem matéria comum; prótons e nêutrons são bárions. Eles são feitos de quarks, e bárions de antimatéria são constituídos de antiquarks. Tanto quarks quando antiquarks vêm em seis “sabores”: up, down, top, bottom (ou beauty), strange e charm, como os cientistas chamam as diferentes variedades. Uma lambda-b é feita de um quark up, um down e um bottom. (Um próton é constituído de dois up e um down, enquanto um nêutron consiste em dois down e um up.)

Se a lambda e sua irmã antimatéria mostrarem simetria CP, então seria esperado que elas decaíssem da mesma forma. Em vez disso, a equipe descobriu que as partículas lambda-b e a antilambda-b decaem de maneiras diferentes. Lambdas decaem de duas formas: em um próton e duas partículas carregadas chamadas de mésons pi (ou píons), ou em um próton e dois mésons K (ou káons). Quando partículas decaem, elas jogam fora suas partículas filhas em um certo conjunto de ângulos. As lambdas da matéria e da antimatéria fizeram isso, mas os ângulos foram diferentes.

Essa não é a primeira vez que matéria e antimatéria se comportam de maneira diferente. Nos anos 1960, cientistas estudaram káons, os quais também decaíram de uma forma diferentes de seus homólogos de antimatéria. Mésons B - que consistem de um quark bottom e um up, down, strange ou charm - também mostraram um comportamento “de violação” similar.

Mésons, entretanto, não são como bárions. Eles são pares de quarks e antiquarks. Bárions são feitos apenas de quarks normais; antibárions, de antiquarks. Discrepâncias entre o decaimento de bárions e antibárions nunca antes foram observadas.

“Agora temos algo para os bárions”, Marcin Kucharczyk, professor associado no Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências, o qual colaborou no experimento do LHC, disse à Live Science. “Quando tínhamos observado mésons, não era óbvio que era o mesmo com os bárions”.

Embora tentadores, os resultados não eram sólidos o suficiente para contar como uma descoberta. Para físicos, a medida de significância estatística, a qual é uma forma de checar se dados podem acontecer por acaso, é de 5 sigmas. Sigma se refere a desvios padrão e o 5 significa que existe apenas 1 chance em 3,5 milhões do resultado acontecer por acaso. O experimento teve 3,3 sigma - bom, mas ainda não chegou lá. (Um 3,3 sigma significa que há cerca de 1 chance em 4200 da observação ter acontecido aleatoriamente, ou um nível de 99% de confiança.)

As descobertas não são uma resposta completa para o mistério de por que a matéria domina o universo, disse Kucharczyk.

“Isso não consegue explicar totalmente a assimetria”, ele disse. “No futuro, teremos mais estatísticas, talvez de outros bárions”.

 

Jesse Emspak, da SPACE.com

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