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Comparação entre matéria e antimatéria tem base mais precisa

Precisão inédita na medida do magnetismo do próton sugere novas abordagens experimentais

Por Elizabeth Gibney e Revista Nature

Em uma tentativa de resolver o mistério da antimatéria perdida do Universo, físicos obtiveram a medida mais precisa do magnetismo inerente do próton até hoje.

Publicando na Nature em 28 de maio, um grupo de cientistas dominou uma técnica para medir o momento magnético do próton – o equivalente microsópico da força de um imã em barra – com uma precisão de três partes por bilhão. 

Os experimentos são parte de um trabalho para descobrir porquê o Universo parece estar cheio de matéria, e não de antimatéria.

A antimatéria age como uma espécie de imagem espelhada da matéria, idêntica exceto em algumas propriedades fundamentais.

Quando as duas se encontram, ambas são aniquiladas em uma explosão de energia. Físicos acreditam que a antimatéria e a matéria tenham sido produzidas em quantidades iguais no Big Bang; o fato de ainda existir matéria no Universo permanece um mistério.  

Qualquer diferença entre o momento magnético do próton e o do antipróton revelaria uma assimetria que, no Universo primitivo, poderia ter favorecido a matéria, como explica Andreas Mooser, físico da Universidade Johannes Gutenberg em Mainz, na Alemanha, coautor do estudo: “De acordo com a compreensão atual da Fìsica, esses valores deveriam ser iguais”.

O momento magnético do próton tem origem numa propriedade quântica fundamental chamada spin, que faz com que o próton se comporte como um minúsculo imã em barra com pólos norte e sul. Quando inserido em um campo magnético externo, o spin do próton pode se alinhar com o campo ou girar para ficar contra ele.

Os pesquisadores calcularam o momento magnético do próton enquanto observavam um único próton variar entre esses dois estados.

Eles suspenderam um próton em uma armadilha e aplicaram um campo magnético que o fazia girar. Em seguida eles conduziram o próton até uma segunda armadilha com um campo magnético em gradiente, e mediram suas pequenas vibrações para determinar o alinhamento de seu spin.

Ao mover o próton entre as armadilhas – fazendo mudanças e medidas repetidas – a equipe foi capaz de medir com muita precisão a frequência a que o campo magnético induz a mudança, e a partir daí eles calcularam o momento magnético do próton.  

Os números obtidos pela equipe são 760 vezes mais precisos que os das melhores medidas diretas, realizadas em 2012 por uma equipe conduzida por Gerald Gabrielse, físico da Harvard University em Cambridge, Massachusetts. Além disso, elas são três vezes mais precisas que as melhores medidas indiretas, que foram derivadas há 42 anos.  

O experimento é “claramente um avanço”, declara Ryugo Hayano, físico da Universidade de Tóquio e porta-voz de Espectroscopia e Colisões Atômicas Usando Antiprótons Lentos (ASACUSA, em inglês) do CERN, o laboratório europeu de física de partículas perto de Genebra, na Suíça. Mas, de acordo com ele, isso é apenas o começo. “Eles esperam poder aplicar o mesmo método com um antipróton e atingir um nível semelhante de precisão”, adiciona Hayano. 

A equipe de Gabrielse já mediu o momento magnético do antipróton como parte do experimento ATRAP (Armadilha de Antihidrogênio) no CERN, e não encontrou diferenças.

Mooser e sua equipe têm o potencial de realizar o mesmo experimento com precisão maior, e seu plano é mudar o experimento para a instalação de produção de antimatéria do CERN como parte do Experimento de Simetria de Bárions e Antibárions (BASE, em inglês). Quando a instalação do CERN conhecida como Desacelerador de Antiprótons reabrir neste verão boreal, as equipes do ATRAP, do BASE e de outros três experimentos vão dividí-la em uma corrida para detectar minúsculas discrepâncias entre matéria e antimatéria.

Esses experimentos também explorarão outras propriedades fundamentais em busca de discrepâncias entre matéria e antimatéria. Entre elas estão os espectros das emissões eletromagnéticas do hidrogênio e do anti-hidrogênio, além de suas massas. Hayano declara que até mesmo a descoberta diferenças mínimas teria implicações “drásticas” para uma teoria fundamental da física, chamada de Simetria CPT, que prevê que a massa de uma partícula e sua antipartícula deveria ser a mesma.

Ninguém sabe qual é o nível de precisão necessário para que experimentos observem a natureza quebrar sua simetria fundamental – supondo que ela o faça. “Teorias recentes sustentam que esse teorema sagrado pode ser violado, mas elas não preveem a magnitude da violação”, explica Hayano. “Então nós estamos procurando muitas maneiras diferentes de obter a maior precisão possível”.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O Artigo foi publicado pela primeira vez em 29 de maio de 2014.