Átomos de Antimatéria Armazenados com Sucesso pela Primeira Vez

Contacto científico: Joel Fajans, 510-984-3601

Atoms of antimatter have been trapped and stored for the first time by the ALPHA collaboration, an international team of scientists working at CERN, the European Organization for Nuclear Research near Geneva, Switzerland. Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA e da Universidade da Califórnia em Berkeley deram contribuições fundamentais para o esforço internacional em curso.

ALPHA armazenou átomos de anti-hidrogénio, consistindo num único antiprotão com carga negativa orbitado por um único anti-electrão com carga positiva (positron). Embora o número de antígenos presos seja demasiado pequeno para alimentar o reactor de matéria-antimatéria da nave espacial Enterprise, este avanço aproxima o dia em que os cientistas serão capazes de fazer testes de precisão das simetrias fundamentais da natureza. As medições dos anti-átomos podem revelar como a física da antimatéria difere da da matéria comum que domina o mundo que conhecemos hoje.

Grandes quantidades de átomos de anti-hidrogénio foram feitas pela primeira vez no CERN há oito anos por duas outras equipas. Embora tenham feito antimatéria, não conseguiram armazená-la, porque os antiatómeros tocaram as paredes de matéria comum das experiências em milionésimos de segundo após a sua formação e foram imediatamente aniquilados – completamente destruídos pela conversão em energia e outras partículas.

“A armadilha do anti-hidrogénio provou ser muito mais difícil do que a criação de anti-hidrogénio”, diz Joel Fajans, membro da equipa ALPHA, cientista da Divisão de Investigação de Aceleradores e Fusão (AFRD) do Berkeley Lab e professor de física na UC Berkeley. “A ALPHA faz rotineiramente milhares de átomos de anti-hidrogénio num único segundo, mas a maioria é demasiado “quente” -too energético-“para ser mantido na armadilha. Temos de ter sorte em apanhar um””

A colaboração ALPHA conseguiu utilizar uma garrafa magnética especialmente concebida chamada Armadilha de Campo Magnético Mínimo. O componente principal é um octupo (oito pólos magnéticos) íman cujos campos mantêm os anti-átomos afastados das paredes da armadilha, impedindo-os assim de aniquilarem. Fajans e os seus colegas na AFRD e na UC propuseram, conceberam e testaram o íman de octupole, que foi fabricado em Brookhaven. O membro da equipa ALPHA Jonathan Wurtele da AFRD, também professor de física na UC Berkeley, liderou uma equipa de membros do pessoal do Laboratório Berkeley e cientistas visitantes que utilizaram simulações por computador para verificar as vantagens da armadilha de octupole.

Num próximo número da Nature agora online, a equipa ALPHA relata os resultados de 335 ensaios experimentais, cada um com a duração de um segundo, durante os quais os anti-atómanos foram criados e armazenados. Os ensaios foram repetidos a intervalos nunca inferiores a 15 minutos. Para formar anti-hidrogénio durante estas sessões, os antiprotões foram misturados com pósitrons dentro da armadilha. Assim que o íman da armadilha foi “saciado”, quaisquer anti-ácomos presos foram libertados, e a sua posterior aniquilação foi registada por detectores de silício. Desta forma, os investigadores registaram 38 átomos anti-hidrogénio, que tinham sido mantidos na armadilha durante quase dois décimos de segundo.

“A prova de que o anti-hidrogénio aprisionado repousa no estabelecimento de que o nosso sinal não é devido a um fundo”, diz Fajans. Embora muitos mais de 38 átomos de anti-hidrogénio tenham provavelmente sido capturados durante os 335 ensaios, os investigadores tiveram o cuidado de confirmar que cada evento candidato era de facto um aniquilamento anti-atom e não era a passagem de um raio cósmico ou, mais difícil de descartar, a aniquilação de um antiprotão nu.

Para discriminar entre eventos e antecedentes reais, a equipa ALPHA utilizou simulações por computador baseadas em cálculos teóricos para mostrar como os eventos de antecedentes seriam distribuídos no detector versus como apareceriam os aniquilamentos reais de anti-hidrogénio. Fajans e Francis Robicheaux da Universidade de Auburn contribuíram com simulações de como os antiprotões armadilhados por espelho (aqueles confinados por bobinas magnéticas em torno das extremidades do íman octupo) poderiam imitar aniquilações anti-atom, e como o anti-hidrogénio real se comportaria na armadilha.

Aprendizagem de antimatéria

Antes de 1928, quando os anti-electrões foram previstos teoricamente por Paul Dirac, a existência de antimatéria era insuspeitável. Em 1932 foram encontrados anti-electrões (positrões) em detritos de raios cósmicos por Carl Anderson. Os primeiros antiprotões foram deliberadamente criados em 1955 no Berkeley Lab’s Bevatron, o acelerador de partículas de maior energia da sua época.

No início os físicos não viam razão para que a antimatéria e a matéria não se comportassem simetricamente, ou seja, obedecessem às leis da física da mesma forma. Mas se assim fosse, quantidades iguais de cada uma teriam sido feitas na grande faixa – neste caso, deveriam ter-se aniquilado mutuamente, não deixando nada para trás. E se de alguma forma esse destino fosse evitado, quantidades iguais de matéria e antimatéria deveriam permanecer hoje, o que não é claramente o caso.

Nos anos 60, os físicos descobriram partículas subatómicas que se decompunham de uma forma só possível se a simetria conhecida como conjugação de cargas e paridade (PC) tivesse sido violada no processo. Como resultado, os investigadores perceberam que a antimatéria deve comportar-se de forma ligeiramente diferente da matéria comum. Mesmo assim, embora algumas antipartículas violem a PC, as antipartículas que se movem para trás no tempo devem obedecer às mesmas leis da física que as partículas comuns que avançam no tempo. A simetria CPT (T é para o tempo) não deve ser violada.

Uma forma de testar esta suposição seria comparar os níveis de energia dos electrões comuns que orbitam um protão comum com os níveis de energia dos positrões que orbitam um antiprotão, ou seja, comparar os espectros dos átomos de hidrogénio e anti-hidrogénio comuns. Testar a simetria do CPT com átomos de anti-hidrogénio é um dos principais objectivos da experiência ALPHA.

Como fazer e armazenar anti-hidrogénio

Para fazer anti-hidrogénio, os aceleradores que alimentam os prótons ao Grande Colisor de Hadron (LHC) no CERN desviam alguns destes para fazer antiprotões batendo-os num alvo metálico; os antiprotões que resultam são mantidos no anel do Desacelerador de Antimatéria do CERN, que fornece cachos de antiprotões ao ALPHA e outra experiência de antimatéria.

Wurtele diz: “É difícil apanhar p-bars” – o símbolo de antiprotões é uma pequena letra p com uma barra por cima – “porque é preciso arrefecê-los desde cem milhões de electrões volts até cinquenta milionésimos de um electrão volts.”

Na experiência ALPHA os antiprotões são passados através de uma série de barreiras físicas, campos magnéticos e eléctricos, e nuvens de electrões frios, para os arrefecer ainda mais. Finalmente os antiprotões de baixa energia são introduzidos na região de armadilhagem da ALPHA.

P>Os pósitrons de baixa energia, provenientes de decomposições numa fonte de sódio radioactivo, são trazidos para a armadilha pelo extremo oposto. Sendo partículas carregadas, tanto os positrões como os antiprotões podem ser mantidos em secções separadas da armadilha por uma combinação de campos eléctricos e magnéticos – uma nuvem de positrões num “poço para cima” no centro e os antiprotões num “poço para baixo” em direcção às extremidades da armadilha.

Para juntar os positrões no seu poço central, os antiprotões devem ser cuidadosamente empurrados por um campo eléctrico oscilante, o que aumenta a sua velocidade de forma controlada através de um fenómeno chamado autoresonance.

“É como empurrar uma criança num baloiço de recreio”, diz Fajans, que credita o seu antigo aluno de pós-graduação Erik Gilson e Lazar Friedland, professor na Universidade Hebraica e visitante em Berkeley, com o desenvolvimento precoce da técnica. “A altura do baloiço não tem tanto a ver com a força com que se empurra ou com o peso da criança ou com o comprimento das correntes, mas sim com o timing dos seus empurrões”

A nova técnica de autoresonança revelou-se essencial para adicionar energia aos antiprotões precisamente, de modo a formar anti-atómicos de energia relativamente baixa. Os anti-átomos recém-formados são neutros em carga, mas devido ao seu spin e à distribuição das cargas opostas dos seus componentes, têm um momento magnético; desde que a sua energia seja suficientemente baixa, podem ser capturados no campo magnético do octupole e nos campos espelhados da Armadilha do Campo Magnético Mínimo.

Dos milhares de átomos anti-hidrogénio feitos em cada sessão de mistura de um segundo, a maioria é demasiado enérgica para ser mantida e aniquilar-se contra as paredes da armadilha.

Livre o ALPHA 38

Após mistura e armadilha – mais a “limpeza” dos muitos antiprotões nus que não formaram o anti-hidrogénio – o íman supercondutor que produz o campo confinante é abruptamente desligado – em apenas nove milésimos de segundo. Isto faz com que o íman “arrefeca”, um rápido retorno à condutividade normal que resulta em rápido aquecimento e stress.

“Os milissegundos de arrefecimento são quase inéditos”, diz Fajans. “Desligar deliberadamente um íman supercondutor é normalmente feito milhares de vezes mais lentamente, e não com um arrefecimento brusco. Fizemos muitas experiências no Berkeley Lab para garantir que o íman ALPHA pudesse sobreviver a múltiplos e rápidos apagamentos”

Desde o início do apagamento, os investigadores permitiram 30 milésimos de segundo para que qualquer anti-hidrogénio retido escapasse à armadilha, bem como qualquer antiprotões descobertos que ainda pudessem estar na armadilha. Os raios cósmicos também podem vaguear através da experiência durante este intervalo. Ao utilizar campos eléctricos para varrer a armadilha de partículas carregadas ou dirigi-las para uma extremidade dos detectores ou para a outra, e ao comparar os dados reais com simulações computorizadas de aniquilações candidatas a anti-hidrogénio e eventos semelhantes, os investigadores foram capazes de identificar inequivocamente 38 átomos de anti-hidrogénio que tinham sobrevivido na armadilha durante pelo menos 172 milissegundos – quase dois décimos de segundo.

Diz Fajans, “O nosso relatório na Natureza descreve os primeiros sucessos da ALPHA na armadilha de átomos de anti-hidrogénio, mas estamos constantemente a melhorar o número e a duração do tempo em que nos podemos agarrar a eles. Estamos a aproximar-nos do ponto em que podemos fazer algumas classes de experiências com átomos de antimatéria. As primeiras tentativas serão grosseiras, mas nunca ninguém fez nada como elas antes.”

“Anti-hidrogénio preso”, de Gorm Andresen, Mohammad Dehghani Ashkezari, Marcelo Baquero-Ruiz, Will Bertsche, Paul Bowe, Eoin Butler, Claudio Lenz Cesar, Steve Chapman, Michael Charlton, Adam Deller, Stefan Eriksson, Joel Fajans, Tim Friesen, Makoto Fujiwara, Dave Gill, Andrea Gutierrez, Jeffrey Hangst, Walter Hardy, Mike Hayden, Andrew Humphries, Richard Hydomako, Matthew Jenkins, Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, Art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif el Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman So, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele, e Yasunori Yamazaki, está disponível com antecedência a publicação online da Natureza. ALPHA é apoiado em parte pela National Science Foundation e pelo Office of Science do Departamento de Energia dos EUA.

Berkeley Lab é um laboratório nacional do Departamento de Energia dos EUA gerido pela Universidade da Califórnia para o Office of Science do DOE. Visite o nosso website.