Físicos observam pela primeira vez o espectro luminoso da antimatéria

Depois de duas décadas de tentativa, os físicos da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN) observaram a primeira medida de luz emitida por um átomo de antimatéria.

O resultado confirma o que foi previsto pelas leis da física e abre uma nova forma de testar a teoria da relatividade especial de Einstein.

O estudo, publicado na revista Nature, pode ajudar os cientistas a responderem a um dos maiores mistérios da física moderna – porque é que existe mais matéria do que antimatéria no universo?

A lei da física prevê que, para cada partícula de matéria, há uma antipartícula. Assim, para cada eletrão com carga elétrica negativa, existe um positrão com carga positiva.

Isto significa que, para cada átomo de hidrogénio regular, há um átomo de anti-hidrogénio. E, tal como um átomo de hidrogénio é composto de um eletrão ligado a um protão, um átomo de anti-hidrogénio é composto de um anti-eletrão (ou positrão) ligado a um antiprotão.

Se uma antipartícula encontra uma partícula regular, ambas se aniquilam, libertando energia sob a forma de luz.

Uma possível solução

Este facto cria dois grandes problemas. O primeiro é que, como há tanta matéria regular no universo, é praticamente impossível encontrar antimatéria na natureza, uma vez que esta será aniquilada antes mesmo de eles terem qualquer hipótese de começar a procurá-la.

O segundo problema é: como é que há muito mais matéria regular do que antimatéria no universo, se os nossos modelos físicos atuais sugerem que o Big Bang produziu uma quantidade igual de partículas e anti-partículas? Não deveria ter sido tudo aniquilado?

“Algo aconteceu, alguma pequena assimetria, e ainda não temos uma boa ideia para explicar isto”, disse um dos membros do estudo, Jeffrey Hangst, da experiência ALPHA no CERN.

Pode estar tudo prestes a mudar, porque, pela primeira vez, os cientistas foram capazes de medir o tipo de luz emitida por um átomo de anti-hidrogénio quando atingido por um laser, e comparar o resultado com a luz emitida por um átomo de hidrogénio regular.

E, apesar de não parecer muito, é a primeira vez que os cientistas conseguem controlar um átomo de anti-hidrogénio durante tempo suficiente para medir diretamente o seu comportamento e compará-lo com o seu equivalente regular.

Como é impossível encontrar uma partícula de anti-hidrogénio na natureza, os especialistas terão de produzir os seus próprios átomos em laboratório. Ao longo dos últimos 20 anos, a equipa ALPHA descobriu como produzir a quantidade suficiente desses átomos para realmente ser possível trabalhar com eles.

Os físicos desenvolveram a uma técnica que lhes permite criar cerca de 25.000 átomos de anti-hidrogénio a cada 15 minutos, prendendo cerca de 14. Os métodos anteriores só conseguiram capturar 1,2 átomos durante 15 minutos.

Essas partículas presas são explodidas pela luz laser para forçar seus positrões a “saltar” de um nível de energia mais baixo para um nível mais alto. À medida que voltam ao nível de energia mais baixo, a quantidade de luz libertada por eles pode ser medida.

Perspetivas futuras

A equipa de cientistas descobriu que o átomo de anti-hidrogénio emite exatamente o mesmo espectro de luz que os átomos de hidrogénio regulares.

“Há muito tempo que existe a ideia que a antimatéria é um reflexo exato da matéria, e estamos a reunir provas que mostrem que isso é verdade”, disse Tim Tharp, outro membro da equipa ALPHA.

Este resultado é consistente com o Modelo Padrão de Física de Partículas, que prevê que hidrogénio e anti-hidrogénio terão características de emissão de luz idênticas. Agora, os físicos têm a oportunidade de testar ainda mais espectros usando diferentes tipos de lasers.

Se todos forem idênticos, a teoria de Einstein sobrevive mais um dia. A relatividade especial pressupõe que o espaço-tempo se divide de forma diferente no espaço e no tempo para os observadores, com um movimento uniforme em relação ao outro.

Mas tal teoria não pode estar exatamente certa se a matéria e a antimatéria não se espelharem. De acordo com os especialistas, investigações futuras poderão vir a comprovar se Einstein estava ou não correto.

No caso de a antimatéria não obedecer às mesmas leis da física que a matéria regular, então são os nossos modelos do Big Bang que estão errados – e teremos que repensá-los e descobrir de uma vez por todas porque é que a matéria escapou à aniquilação total no Universo e permitiu a existência de tudo o que está à nossa volta.

ZAP / Hypescience