Agosto de 1932: Descoberta do Positron
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A imagem da câmara de nuvem de radiação cósmica de Anderson de 1932 mostrando pela primeira vez a existência do anti-electrão. A partícula entra pelo fundo, atinge a placa de chumbo no meio e perde energia como se pode ver pela maior curvatura da parte superior da pista.
p>O criador do Star Trek Gene Roddenberry incorporou muita ciência actual no que se tornou uma das franquias de séries de maior sucesso de todos os tempos. Um deles são os motores de matéria/antimatéria que alimentam o Enterprise, permitindo-lhe supostamente viajar a velocidades superiores às da velocidade da luz.
Em 1928, o físico britânico Paul Dirac mostrou que a relatividade de Einstein implicava que cada partícula no universo tinha uma antipartícula correspondente, cada uma com a mesma massa do seu gémeo, mas com a carga eléctrica oposta.
A caça estava em curso para encontrar a verificação experimental desta hipótese; um pós-doutoramento da Caltech chamado Carl D. Anderson ganharia a corrida.
Anderson nasceu em 1905 para pais suíços na cidade de Nova Iorque. Quando ele tinha 7 anos, a família mudou-se para Los Angeles, e os seus pais divorciaram-se pouco depois. Anderson ajudou a sustentar a família ainda muito jovem, mas ainda conseguiu obter uma educação universitária na Caltech. Inicialmente pretendia estudar engenharia eléctrica, mas mudou para a física depois de ter tido uma aula particularmente inspiradora na matéria. Acabou por obter um doutoramento em engenharia física (agora conhecida como física aplicada) na Caltech.
Anderson passou a maior parte da sua carreira na Caltech. A sua pesquisa inicial foi sobre raios X, mas depois Victor Hess descobriu os raios cósmicos em 1930. A conselho do seu mentor, Robert A. Millikan, Anderson voltou a sua atenção para o estudo dessas partículas de alta energia. A maioria dos cientistas fazia-o utilizando câmaras de nuvens: um pequeno cilindro com placas de extremidade de vidro contendo um gás saturado com vapor de água. Se uma partícula ionizante passar pela câmara, deixa um rasto de gotículas de água, que podem ser fotografadas. Ao medir a densidade das gotas, os cientistas podem deduzir a quantidade de ionização produzida – indicando o tipo de partícula que passou por ela.
Anderson construiu a sua própria versão melhorada de uma câmara de nuvens, incorporando um pistão para que pudesse fazer com que a pressão caísse muito rapidamente. Também utilizou uma mistura de água e álcool na câmara. E obteve fotografias muito melhores do que as dos seus colegas. Cercou a sua câmara com um grande electroíman, o que fez com que os caminhos das partículas ionizantes se dobrassem em caminhos circulares. Medindo a curvatura dessas vias, pôde calcular o impulso das partículas e determinar o sinal da carga.
As fotografias resultantes surpreenderam Anderson ao revelarem que os raios cósmicos produziam chuveiros de partículas com carga positiva e negativa, e as cargas positivas não podiam ser protões, como seria de esperar, porque o raio da via especificaria uma distância de paragem de protões muito mais curta do que o comprimento da via.
Anderson e Millikan especularam que talvez as partículas com carga positiva fossem electrões a viajar na direcção oposta.
Para testar a hipótese, Anderson colocou uma placa de chumbo na câmara. Quando as partículas passavam através da placa, saíam do outro lado com uma energia mais baixa do que quando começaram, pelo que a direcção da viagem podia ser deduzida.
Em Agosto de 1932, Anderson registou a fotografia histórica de um electrão com carga positiva (agora conhecido como positron) a passar através da placa de chumbo na câmara das nuvens. Era definitivamente uma partícula com carga positiva, e estava a viajar para cima.
Apesar do cepticismo inicial da comunidade científica, o resultado de Anderson foi confirmado no ano seguinte, e os cientistas concluíram que o positron era um de um par de electrões positivos e negativos produzidos quando um raio gama se convertia em matéria.
A sua descoberta trouxe a Anderson um Prémio Nobel da Física em 1936, aos 31 anos de idade – a pessoa mais jovem a ser tão homenageada. Antiprotões – botões com uma carga negativa em vez da habitual carga positiva – foram descobertos por investigadores na Universidade da Califórnia, Berkeley em 1955, e o antineutrão foi descoberto no ano seguinte. Levaria mais 30 anos até que os cientistas criassem os primeiros anti-atómanos.
Em 1995, os investigadores do CERN utilizaram o Anel de Antiprotões de Baixa Energia (LEAR) para abrandar em vez de acelerar os antiprotões. Ao fazê-lo, conseguiram emparelhar positrões e antiprotões, produzindo nove anti-ácomos de hidrogénio, cada um com uma duração de apenas 40 nanossegundos.
Em três anos, o grupo CERN estava a produzir até 2000 átomos de anti-hidrogénio por hora.
Isso ainda não é suficiente para conseguir uma propulsão prática de antimatéria. Levaria toneladas de antiprotões para viajar para destinos interestelares, mas a instalação CERN só produz antiprotões suficientes num ano para acender uma lâmpada de 100 watt durante três segundos. E isto sem considerar as enormes quantidades de energia necessárias para alimentar os feixes intensos que produzem os antiprotões.
Não obstante, em 2000 cientistas da NASA anunciaram os primeiros projectos de um motor antimatéria que poderia ser capaz de alimentar uma nave espacial para uma viagem a Marte utilizando apenas um milionésimo de um grama de antimatéria.
O positron encontrou uma aplicação útil: a tomografia por emissão de positrões (PET). Esta técnica de imagem médica utiliza aniquilações de baixa energia de electrões e positrões para imaginar o funcionamento interno do cérebro, injectando núcleos radioactivos num paciente e observando os pares de raios gama resultantes. A energia produzida é insuficiente para formar mesmo a partícula mais leve e a antimatéria e emerge em vez disso como dois raios gama.