Síntese de antimatéria. Exatamente o oposto
ANTIMATÉRIA, uma substância constituída por átomos cujos núcleos têm carga elétrica negativa e estão rodeados por pósitrons - elétrons com carga elétrica positiva. Na matéria comum, a partir da qual o mundo ao nosso redor é construído, os núcleos carregados positivamente são cercados por elétrons carregados negativamente. Para distingui-la da antimatéria, a matéria comum é às vezes chamada de matéria-moeda (do grego. koinos- ordinário). No entanto, este termo praticamente não é usado na literatura russa. Ressalta-se que o termo “antimatéria” não é totalmente correto, pois a antimatéria também é matéria, um tipo dela. A antimatéria tem as mesmas propriedades inerciais e cria a mesma atração gravitacional que a matéria comum.
Ao falar sobre matéria e antimatéria, é lógico começar com partículas elementares (subatômicas). Cada partícula elementar possui uma antipartícula; ambos têm quase as mesmas características, exceto pelo fato de possuírem cargas elétricas opostas. (Se a partícula for neutra, então a antipartícula também é neutra, mas podem diferir em outras características. Em alguns casos, a partícula e a antipartícula são idênticas entre si.) Assim, um elétron, uma partícula carregada negativamente, corresponde a um pósitron, e a antipartícula de um próton com carga positiva é um antipróton com carga negativa. O pósitron foi descoberto em 1932 e o antipróton em 1955; estas foram as primeiras antipartículas descobertas. A existência de antipartículas foi prevista em 1928 com base na mecânica quântica pelo físico inglês P. Dirac.
Quando um elétron e um pósitron colidem, eles se aniquilam, ou seja, ambas as partículas desaparecem e dois raios gama são emitidos a partir do ponto de colisão. Se as partículas em colisão se movem em baixa velocidade, então a energia de cada quantum gama é 0,51 MeV. Esta energia é a "energia de repouso" do elétron, ou sua massa de repouso, expressa em unidades de energia. Se as partículas em colisão se moverem em alta velocidade, a energia dos raios gama será maior devido à sua energia cinética. A aniquilação também ocorre quando um próton colide com um antipróton, mas o processo neste caso é muito mais complicado. Várias partículas de vida curta nascem como produtos intermediários da interação; entretanto, após alguns microssegundos, neutrinos, raios gama e um pequeno número de pares elétron-pósitron permanecem como produtos finais das transformações. Esses pares podem eventualmente se aniquilar, criando raios gama adicionais. A aniquilação também ocorre quando um antinêutron colide com um nêutron ou próton.
Como existem antipartículas, surge a questão de saber se os antinúcleos podem ser formados a partir de antipartículas. Os núcleos dos átomos de matéria comum consistem em prótons e nêutrons. O núcleo mais simples é o núcleo do isótopo do hidrogênio comum 1 H; representa um único próton. O núcleo de deutério 2H consiste em um próton e um nêutron; é chamado de deutério. Outro exemplo de núcleo simples é o núcleo 3 He, composto por dois prótons e um nêutron. O antideuteron, composto por um antipróton e um antinêutron, foi obtido em laboratório em 1966; O núcleo anti-3He, composto por dois antiprótons e um antinêutron, foi obtido pela primeira vez em 1970.
De acordo com a física de partículas moderna, com os meios técnicos adequados seria possível obter os antinúcleos de todos os núcleos comuns. Se esses antinúcleos estiverem rodeados pelo número adequado de pósitrons, eles formarão antiátomos. Os antiátomos teriam quase exatamente as mesmas propriedades dos átomos comuns; eles formariam moléculas, a partir das quais sólidos, líquidos e gases, incluindo substâncias orgânicas, poderiam ser formados. Por exemplo, dois antiprótons e um núcleo de antioxigênio, juntamente com oito pósitrons, poderiam formar uma molécula de antiágua semelhante à água comum H 2 O, cada molécula consistindo em dois prótons de núcleos de hidrogênio, um núcleo de oxigênio e oito elétrons. A teoria moderna das partículas é capaz de prever que a antiágua congelará a 0°C, ferverá a 100°C e se comportará como água comum. Continuando esse raciocínio, podemos chegar à conclusão de que um antimundo construído a partir de antimatéria seria extremamente semelhante ao mundo comum que nos rodeia. Esta conclusão serve como ponto de partida para teorias de um universo simétrico, baseadas na suposição de que o universo contém quantidades iguais de matéria comum e antimatéria. Vivemos naquela parte que consiste em matéria comum.
Se dois pedaços idênticos de substâncias de tipos opostos forem colocados em contato, ocorrerá a aniquilação de elétrons com pósitrons e de núcleos com antinúcleos. Nesse caso, surgirão gama quanta, pela aparência da qual se poderá julgar o que está acontecendo. Como a Terra, por definição, consiste em matéria comum, não há nela quantidades apreciáveis de antimatéria, exceto o pequeno número de antipartículas produzidas em grandes aceleradores e em raios cósmicos. O mesmo se aplica a todo o sistema solar.
As observações mostram que apenas uma quantidade limitada de radiação gama é produzida na nossa Galáxia. A partir disso, vários pesquisadores concluem que não há quantidades perceptíveis de antimatéria nele. Mas esta conclusão não é indiscutível. Atualmente não há como determinar, por exemplo, se uma determinada estrela próxima é composta de matéria ou antimatéria; uma estrela de antimatéria emite exatamente o mesmo espectro que uma estrela normal. Além disso, é bem possível que a matéria rarefeita que preenche o espaço ao redor da estrela e é idêntica à matéria da própria estrela seja separada de áreas preenchidas com matéria do tipo oposto - “camadas Leidenfrost” muito finas e de alta temperatura. Assim, podemos falar de uma estrutura “celular” do espaço interestelar e intergaláctico, em que cada célula contém matéria ou antimatéria. Esta hipótese é apoiada por pesquisas modernas que mostram que a magnetosfera e a heliosfera (espaço interplanetário) possuem uma estrutura celular. Células com diferentes magnetizações e às vezes também com diferentes temperaturas e densidades são separadas por camadas de corrente muito finas. Isto leva a uma conclusão paradoxal de que estas observações não contradizem a existência de antimatéria, mesmo dentro da nossa Galáxia.
Se antes não havia argumentos convincentes a favor da existência da antimatéria, agora os sucessos da astronomia de raios X e raios gama mudaram a situação. Foram observados fenômenos associados a uma liberação enorme e muitas vezes altamente desordenada de energia. Muito provavelmente, a fonte dessa liberação de energia foi a aniquilação.
O físico sueco O. Klein desenvolveu uma teoria cosmológica baseada na hipótese de simetria entre matéria e antimatéria e chegou à conclusão de que os processos de aniquilação desempenham um papel decisivo na evolução do Universo e na formação da estrutura das galáxias.
Está a tornar-se cada vez mais claro que a principal teoria alternativa, a teoria do “big bang”, contradiz seriamente os dados observacionais e é provável que a “cosmologia simétrica” ocupe um lugar central na resolução de problemas cosmológicos num futuro próximo.
Antimatéria é matéria constituída apenas por antipartículas. Na natureza, toda partícula elementar possui uma antipartícula. Para um elétron será um pósitron, e para um próton com carga positiva será um antipróton. Átomos de matéria comum - caso contrário, é chamado substância moeda- consistem em um núcleo carregado positivamente em torno do qual os elétrons se movem. E os núcleos carregados negativamente dos átomos de antimatéria, por sua vez, são cercados por antielétrons.
As forças que determinam a estrutura da matéria são as mesmas tanto para partículas quanto para antipartículas. Simplificando, as partículas diferem apenas no sinal de sua carga. É característico que “antimatéria” não seja o nome correto. É essencialmente apenas um tipo de substância que possui as mesmas propriedades e é capaz de criar atração.
Aniquilação
Na verdade, este é o processo de colisão entre um pósitron e um elétron. Como resultado, ocorre a destruição mútua (aniquilação) de ambas as partículas com a liberação de enorme energia. A aniquilação de 1 grama de antimatéria equivale à explosão de uma carga de TNT de 10 quilotons!
Síntese
Em 1995, foi anunciado que os primeiros nove átomos de anti-hidrogênio haviam sido sintetizados. Eles viveram 40 nanossegundos e morreram, liberando energia. E já em 2002, o número de átomos obtidos estava na casa das centenas. Mas todas as antipartículas resultantes só poderiam sobreviver por nanossegundos. As coisas mudaram com o lançamento do colisor de hádrons: eles conseguiram sintetizar 38 átomos de anti-hidrogênio e mantê-los por um segundo inteiro. Durante este período, foi possível realizar algumas pesquisas sobre a estrutura da antimatéria. Eles aprenderam a reter partículas depois de criarem uma armadilha magnética especial. Para obter o efeito desejado, é criada uma temperatura muito baixa. É verdade que tal armadilha é um assunto muito complicado, complexo e caro.
Na trilogia “Pessoas como Deuses” de S. Snegov, o processo de aniquilação é usado para voos intergalácticos. Os heróis do romance, usando-o, transformam estrelas e planetas em pó. Mas em nossa época, obter antimatéria é muito mais difícil e caro do que alimentar a humanidade.
Quanto custa a antimatéria?
Um miligrama de pósitrons deveria custar 25 bilhões de dólares. E por um grama de anti-hidrogênio você terá que pagar 62,5 trilhões de dólares.
Ainda não apareceu uma pessoa tão generosa que pudesse comprar nem um centésimo de grama. Várias centenas de milhões de francos suíços tiveram de ser pagos por um bilionésimo de grama para obter material para trabalhos experimentais sobre a colisão de partículas e antipartículas. Até agora não existe nenhuma substância na natureza que seja mais cara que a antimatéria.
Mas com a questão do peso da antimatéria, tudo é bem simples. Como difere da matéria comum apenas na carga, todas as outras características são as mesmas. Acontece que um grama de antimatéria pesará exatamente um grama.
Mundo da antimatéria
Se aceitarmos como verdade que existiu, então como resultado deste processo deveriam ter surgido quantidades iguais de matéria e antimatéria. Então, por que não observamos objetos feitos de antimatéria perto de nós? A resposta é bastante simples: os dois tipos de matéria não podem coexistir. Eles definitivamente irão destruir um ao outro. É provável que existam galáxias e até universos feitos de antimatéria, e até vemos alguns deles. Mas a mesma radiação emana deles, a mesma luz vem deles, como das galáxias comuns. Portanto, ainda é impossível dizer com certeza se o antimundo existe ou se este é um lindo conto de fadas.
É perigoso?
A humanidade transformou muitas descobertas úteis em meios de destruição. A antimatéria, neste sentido, não pode ser uma exceção. Ainda não é possível imaginar uma arma mais poderosa do que aquela baseada no princípio da aniquilação. Talvez não seja tão ruim que ainda não seja possível extrair e armazenar antimatéria? Tornar-se-á um sino fatal que a humanidade ouvirá no seu último dia?
Recentemente, membros da colaboração ALICE no CERN mediram as massas dos núcleos de antimatéria com precisão recorde e até estimaram a energia que liga os antiprótons aos antinêutrons neles. Até agora, nenhuma diferença significativa entre esses parâmetros na matéria e na antimatéria foi encontrada, mas isso não é o principal. É importante que neste momento, nos últimos anos, não apenas antipartículas, mas também antinúcleos e até antiátomos estejam se tornando disponíveis para medições e observações. Isso significa que é hora de descobrir o que é a antimatéria e qual o lugar que sua pesquisa ocupa na física moderna.
Vamos tentar adivinhar algumas de suas primeiras perguntas sobre a antimatéria.
É verdade que uma bomba superpoderosa pode ser feita usando antimatéria? É possível que a antimatéria esteja realmente sendo acumulada no CERN, como mostra o filme Anjos e Demônios, e que seja muito perigosa? É verdade que a antimatéria será um combustível extremamente eficiente para viagens espaciais? Existe alguma verdade na ideia de um cérebro positrônico que Isaac Asimov dotou os robôs em suas obras?...
Não é segredo que para a maioria das pessoas a antimatéria está associada a algo extremamente (explosivamente) perigoso, a algo suspeito, a algo que excita a imaginação com promessas fantásticas e riscos enormes - daí tais questões. Admitamos: as leis da física não proíbem diretamente tudo isso. No entanto, a implementação destas ideias está tão distante da realidade, das tecnologias modernas e das tecnologias das próximas décadas, que a resposta pragmática é simples: não, para o mundo moderno isto não é verdade. A conversa sobre estes temas é simplesmente fantasia, baseada não em realizações científicas e técnicas reais, mas na sua extrapolação muito além dos limites das capacidades modernas. Se você quiser ter uma conversa séria sobre esses assuntos, chegue mais perto de 2100. Por enquanto, vamos falar sobre pesquisas científicas reais sobre antimatéria.
O que é antimatéria?
Nosso mundo é projetado de tal forma que para cada tipo de partícula - elétrons, prótons, nêutrons, etc. - existem antipartículas (pósitrons, antiprótons, antinêutrons). Eles têm a mesma massa e, se forem instáveis, a mesma meia-vida, mas cargas opostas e outros números que caracterizam a interação. Os pósitrons têm a mesma massa que os elétrons, mas apenas uma carga positiva. Os antiprótons têm carga negativa. Os antinêutrons são eletricamente neutros, assim como os nêutrons, mas têm o número bariônico oposto e são compostos de antiquarks. Um antinúcleo pode ser montado a partir de antiprótons e antinêutrons. Ao adicionar pósitrons, criamos antiátomos e, ao acumulá-los, obtemos antimatéria. Tudo isso é antimatéria.
E aqui há várias sutilezas interessantes sobre as quais vale a pena falar. Em primeiro lugar, a própria existência de antipartículas é um enorme triunfo da física teórica. Esta ideia não óbvia e, para alguns, até chocante, foi teoricamente derivada de Paul Dirac e foi inicialmente recebida com hostilidade. Além disso, mesmo após a descoberta dos pósitrons, muitos ainda duvidavam da existência dos antiprótons. Em primeiro lugar, disseram eles, Dirac apresentou a sua própria teoria para descrever o eletrão, e não é um facto que funcione para o protão. Por exemplo, o momento magnético do próton difere várias vezes da previsão da teoria de Dirac. Em segundo lugar, eles procuraram por muito tempo vestígios de antiprótons nos raios cósmicos, mas nada foi encontrado. Em terceiro lugar, eles argumentaram - literalmente repetindo nossas palavras - que se existem antiprótons, então deve haver antiátomos, antiestrelas e antigaláxias, e nós definitivamente os notaríamos em grandiosas explosões cósmicas. Como não vemos isso, provavelmente é porque a antimatéria não existe. Portanto, a descoberta experimental do antipróton em 1955 no recém-lançado acelerador Bevatron foi um resultado nada trivial, premiado com o Prêmio Nobel de Física em 1959. Em 1956, o antinêutron foi descoberto no mesmo acelerador. A história destas buscas, dúvidas e conquistas pode ser encontrada em numerosos ensaios históricos, por exemplo, neste relatório ou no livro recente de Frank Close, Antimatéria.
Contudo, deve ser dito separadamente que a dúvida saudável em afirmações puramente teóricas é sempre útil. Por exemplo, a afirmação de que as antipartículas têm a mesma massa que as partículas também é um resultado teórico; decorre de um teorema CPT muito importante. Sim, a física moderna e testada experimentalmente do micromundo é construída sobre esta afirmação. Mas ainda é uma igualdade: quem sabe assim encontraremos os limites de aplicabilidade da teoria.
Outra característica: nem todas as forças do micromundo se relacionam igualmente com partículas e antipartículas. Para interações eletromagnéticas e fortes não há diferença entre elas, para interações fracas existe. Por causa disso, alguns detalhes sutis das interações entre partículas e antipartículas diferem, por exemplo, as probabilidades de decaimento da partícula A em um conjunto de partículas B e do anti-A em um conjunto de anti-B (para mais detalhes sobre o diferenças, veja a coleção de Pavel Pakhov). Esta característica surge porque as interações fracas quebram a simetria CP do nosso mundo. Mas por que isso acontece é um dos mistérios das partículas elementares e exige ir além dos limites do conhecido.
Aqui está outra sutileza: algumas partículas têm tão poucas características que as antipartículas e as partículas não diferem em nada umas das outras. Essas partículas são chamadas de verdadeiramente neutras. Este é um fóton, um bóson de Higgs, mésons neutros, consistindo de quarks e antiquarks do mesmo tipo. Mas a situação com os neutrinos ainda não está clara: talvez sejam verdadeiramente neutros (Majorana), ou talvez não. Isto é de importância crítica para a teoria que descreve as massas e interações dos neutrinos. A resposta a esta pergunta será realmente um grande passo em frente, porque nos ajudará a compreender a estrutura do nosso mundo. O experimento ainda não disse nada inequívoco sobre isso. Mas o programa experimental para a investigação de neutrinos é tão poderoso, há tantas experiências a ser realizadas que os físicos estão gradualmente a aproximar-se da solução.
Onde está essa antimatéria?
Quando uma antipartícula encontra sua partícula, ela se aniquila: ambas as partículas desaparecem e se transformam em um conjunto de fótons ou partículas mais leves. Toda a energia restante se transforma na energia desta microexplosão. Esta é a conversão mais eficiente de massa em energia térmica, centenas de vezes mais eficiente que uma explosão nuclear. Mas não vemos nenhuma explosão natural grandiosa ao nosso redor; A antimatéria não existe em quantidades apreciáveis na natureza. No entanto, antipartículas individuais podem muito bem nascer numa variedade de processos naturais.
A maneira mais fácil é criar pósitrons. A opção mais simples é a radioatividade, o decaimento de alguns núcleos devido à radioatividade beta positiva. Por exemplo, em experimentos, o isótopo sódio-22 com meia-vida de dois anos e meio é frequentemente usado como fonte de pósitrons. Outra fonte natural bastante inesperada é durante a qual às vezes são detectados flashes de radiação gama provenientes da aniquilação de pósitrons, o que significa que os pósitrons de alguma forma nasceram ali.
É mais difícil criar antiprótons e outras antipartículas: não há energia de decaimento radioativo suficiente para isso. Na natureza, eles nascem sob a influência de raios cósmicos de alta energia: um próton cósmico, ao colidir com alguma molécula nas camadas superiores da atmosfera, gera fluxos de partículas e antipartículas. Porém, isso acontece lá em cima, os antiprótons quase nunca chegam ao solo (o que era desconhecido para quem procurava antiprótons nos raios cósmicos na década de 40), e não dá para levar essa fonte de antiprótons para o laboratório.
Em todos os experimentos de física, os antiprótons são produzidos por “força bruta”: eles pegam um feixe de prótons de alta energia, direcionam-no para um alvo e separam os “restos de hádrons” que são produzidos em grandes quantidades nesta colisão. Os antiprótons classificados são emitidos na forma de um feixe e, em seguida, são acelerados a altas energias para colidir com os prótons (é assim que funcionava, por exemplo, o colisor americano Tevatron) ou, inversamente, são desacelerados e usado para medições mais sutis.
No CERN, que pode, com razão, orgulhar-se de uma longa história de investigação em antimatéria, existe um “acelerador” especial AD, o “Moderador Antipróton”, que realiza exatamente esta tarefa. Ele pega um feixe de antiprótons, os resfria (isto é, os desacelera) e então distribui o fluxo de antiprótons lentos por vários experimentos especiais. A propósito, se você quiser ver o estado do AD em tempo real, os monitores online Cernov permitem isso.
Já é muito difícil sintetizar antiátomos, mesmo os mais simples, átomos de antihidrogênio. Eles não surgem na natureza - não existem condições adequadas. Mesmo em laboratório, muitas dificuldades técnicas devem ser superadas antes que os antiprótons se combinem com os pósitrons. O problema é que os antiprótons e pósitrons emitidos pelas fontes ainda estão muito quentes; eles simplesmente colidirão entre si e se separarão, em vez de formar um antiátomo. Os físicos ainda superam essas dificuldades, mas com métodos bastante astutos (como é feito em um dos experimentos ASACUSA Cern).
O que se sabe sobre antinúcleos?
Todas as conquistas antiatômicas da humanidade referem-se apenas ao anti-hidrogênio. Antiátomos de outros elementos ainda não foram sintetizados em laboratório ou observados na natureza. A razão é simples: os antinúcleos são ainda mais difíceis de criar do que os antiprótons.
A única maneira que conhecemos de criar antinúcleos é colidir núcleos pesados de altas energias e ver o que acontece lá. Se a energia de colisão for alta, milhares de partículas, incluindo antiprótons e antinêutrons, nascerão e se espalharão em todas as direções. Antiprótons e antinêutrons emitidos acidentalmente em uma direção podem combinar-se entre si para formar um antinúcleo.
O detector ALICE pode distinguir entre diferentes núcleos e antinúcleos com base na liberação de energia e na direção de torção em um campo magnético.
Imagem: CERN
O método é simples, mas não muito ineficaz: a probabilidade de sintetizar um núcleo desta forma cai drasticamente à medida que o número de núcleons aumenta. Os antinúcleos mais leves, os antideuterons, foram observados pela primeira vez há exatamente meio século. O antihélio-3 foi visto em 1971. Também são conhecidos o antitríton e o antihélio-4, este último descoberto recentemente, em 2011. Antinúcleos mais pesados ainda não foram observados.
Dois parâmetros que descrevem as interações núcleon-núcleon (comprimento de dispersão f0 e raio efetivo d0) para diferentes pares de partículas. O asterisco vermelho é o resultado de um par de antiprótons obtido pela colaboração STAR.
Infelizmente, você não pode fazer antiátomos dessa maneira. Os antinúcleos não são produzidos apenas raramente, mas também têm muita energia e voam em todas as direções. Tentar capturá-los em um colisor e depois levá-los através de um canal especial e resfriá-los não é realista.
No entanto, às vezes é suficiente rastrear cuidadosamente os antinúcleos em voo para obter algumas informações interessantes sobre as forças antinucleares que atuam entre os antinúcleos. A coisa mais simples é medir cuidadosamente a massa dos antinúcleos, compará-la com a soma das massas dos antiprótons e antinêutrons e calcular o defeito de massa, ou seja, energia de ligação nuclear. Recentemente, está operando no Large Hadron Collider; A energia de ligação do antideuteron e do antihélio-3 coincidiu dentro dos limites de erro com os núcleos comuns.
Outro efeito mais sutil foi estudado pelo experimento STAR no colisor de íons pesados americano RHIC. Ele mediu a distribuição angular dos antiprótons produzidos e descobriu como ela muda quando dois antiprótons são emitidos em uma direção muito próxima. As correlações entre os antiprótons permitiram pela primeira vez medir as propriedades das forças “antinucleares” que atuam entre eles (comprimento de dispersão e raio de interação efetivo); eles coincidiram com o que se sabe sobre a interação dos prótons.
Existe antimatéria no espaço?
Quando Paul Dirac deduziu a existência de pósitrons a partir de sua teoria, ele assumiu plenamente que antimundos reais poderiam existir em algum lugar do espaço. Agora sabemos que não existem estrelas, planetas ou galáxias feitas de antimatéria na parte visível do Universo. A questão não é nem mesmo que as explosões de aniquilação não sejam visíveis; É simplesmente inimaginável como eles poderiam ter se formado e sobrevivido até os dias atuais em um universo em constante evolução.
Mas a questão “como é que isto aconteceu” é outro grande mistério da física moderna; em linguagem científica é chamado de problema da bariogênese. De acordo com a imagem cosmológica do mundo, no universo primitivo havia números iguais de partículas e antipartículas. Então, devido à violação da simetria CP e do número bariônico, um pequeno excesso, no nível de um bilionésimo, de matéria sobre antimatéria deveria ter aparecido em um universo em desenvolvimento dinâmico. À medida que o universo esfriou, todas as antipartículas se misturaram com partículas; apenas esse excesso de matéria sobreviveu, o que deu origem ao universo que observamos. É por causa dele que pelo menos algo interessante permanece nele, é graças a ele que existimos. Não se sabe exatamente como surgiu essa assimetria. Existem muitas teorias, mas não se sabe qual delas é verdadeira. É apenas claro que isto deve ser definitivamente algum tipo de Nova Física, uma teoria que vai além do Modelo Padrão, além dos limites do que foi verificado experimentalmente.
Três opções de onde podem vir as antipartículas em raios cósmicos de alta energia: 1 - elas podem simplesmente surgir e acelerar em um “acelerador cósmico”, por exemplo, em um pulsar; 2 - podem nascer durante colisões de raios cósmicos comuns com átomos do meio interestelar; 3 - podem surgir durante a decomposição de partículas pesadas de matéria escura.
Embora não existam planetas ou estrelas feitos de antimatéria, a antimatéria ainda está presente no espaço. Fluxos de pósitrons e antiprótons de diferentes energias são registrados por observatórios de raios cósmicos via satélite, como PAMELA, Fermi, AMS-02. O fato de pósitrons e antiprótons chegarem até nós do espaço significa que eles nasceram em algum lugar lá fora. Os processos de alta energia que podem gerá-los são conhecidos em princípio: são vizinhanças altamente magnetizadas de estrelas de nêutrons, várias explosões, aceleração de raios cósmicos em frentes de ondas de choque no meio interestelar, etc. A questão é se eles podem explicar todas as propriedades observadas do fluxo de antipartículas cósmicas. Caso contrário, isso será uma evidência a favor do fato de que alguns deles surgem da decomposição ou aniquilação de partículas de matéria escura.
Também há um mistério aqui. Em 2008, o observatório PAMELA descobriu um número suspeitamente grande de pósitrons de alta energia em comparação com o que a modelagem teórica previa. Esses resultados foram confirmados recentemente pela instalação AMS-02 – um dos módulos da Estação Espacial Internacional e, em geral, o maior detector de partículas elementares lançado ao espaço (e montado, adivinha onde? – corretamente, no CERN). Esse excesso de pósitrons entusiasma a mente dos teóricos – afinal, podem não ser objetos astrofísicos “chatos” os responsáveis por isso, mas partículas pesadas de matéria escura que decaem ou se aniquilam em elétrons e pósitrons. Ainda não há clareza aqui, mas a instalação AMS-02, assim como muitos físicos críticos, estão estudando esse fenômeno com muito cuidado.
A proporção de antiprótons para prótons em raios cósmicos de diferentes energias. Os pontos são dados experimentais, as curvas multicoloridas são expectativas astrofísicas com vários erros.
Imagem: Biblioteca da Universidade Cornell
A situação com os antiprótons também não é clara. Em abril deste ano, o AMS-02 apresentou resultados preliminares de um novo ciclo de pesquisa em conferência científica especial. O principal destaque do relatório foi a afirmação de que o AMS-02 vê demasiados antiprótons de alta energia – e isto também pode ser um indício do decaimento das partículas de matéria escura. Contudo, outros físicos não concordam com uma conclusão tão animadora. Acredita-se agora que os dados antiprótons do AMS-02, com alguma extensão, podem ser explicados por fontes astrofísicas convencionais. De uma forma ou de outra, todos aguardam ansiosamente os novos dados de pósitrons e antiprótons do AMS-02.
O AMS-02 já detectou milhões de pósitrons e um quarto de milhão de antiprótons. Mas os criadores desta instalação têm um sonho brilhante - capturar pelo menos um antinúcleo. Será uma verdadeira sensação - é absolutamente incrível que os antinúcleos nasçam em algum lugar do espaço e voem até nós. Até agora nenhum caso deste tipo foi descoberto, mas a recolha de dados continua, e quem sabe que surpresas a natureza nos reserva.
Antimatéria - antigravidade? Como ela sente a gravidade?
Se confiarmos apenas na física verificada experimentalmente e não entrarmos em teorias exóticas, ainda não confirmadas, então a gravidade deveria agir sobre a antimatéria exatamente da mesma maneira que sobre a matéria. Nenhuma antigravidade é esperada para a antimatéria. Se nos permitirmos olhar um pouco mais além, além dos limites do conhecido, então as opções puramente teoricamente possíveis são quando, além da força gravitacional universal usual, há algo adicional que atua de maneira diferente sobre a matéria e a antimatéria. Por mais ilusória que possa parecer esta possibilidade, ela precisa ser verificada experimentalmente, e para isso é necessário realizar experimentos para testar como a antimatéria sente a gravidade da Terra.
Por muito tempo não foi possível fazer isso pela simples razão de que para isso é necessário criar átomos de antimatéria individuais, prendê-los e realizar experimentos com eles. Agora que aprendemos como fazer isso, o tão esperado teste está chegando.
O principal fornecedor dos resultados é o mesmo CERN com seu extenso programa de estudo de antimatéria. Algumas destas experiências já verificaram indiretamente que a gravidade da antimatéria é boa. Por exemplo, ele descobriu que a massa (inerte) do antipróton coincide com a massa do próton com altíssima precisão. Se a gravidade tivesse agido de forma diferente sobre os antiprótons, os físicos teriam notado a diferença – afinal, a comparação foi feita na mesma instalação e nas mesmas condições. O resultado deste experimento: o efeito da gravidade nos antiprótons coincide com o efeito nos prótons com uma precisão melhor que um milionésimo.
No entanto, esta medição é indireta. Para ser mais convincente, gostaria de realizar um experimento direto: pegue vários átomos de antimatéria, solte-os e veja como eles caem em um campo gravitacional. Tais experiências também estão sendo conduzidas ou preparadas no CERN. A primeira tentativa não foi muito impressionante. Em 2013, a experiência ALPHA – que nessa altura já tinha aprendido a manter uma nuvem de anti-hidrogénio na sua armadilha – tentou determinar onde os antiátomos cairiam se a armadilha fosse desligada. Infelizmente, devido à baixa sensibilidade do experimento, não foi possível obter uma resposta inequívoca: havia passado muito pouco tempo, os antiátomos corriam para frente e para trás na armadilha e surtos de aniquilação ocorriam aqui e ali.
Duas outras experiências do Cern prometem melhorar radicalmente a situação: GBAR e AEGIS. Ambos os experimentos testarão de maneiras diferentes como uma nuvem de anti-hidrogênio ultrafrio cai em um campo gravitacional. A precisão esperada na medição da aceleração da gravidade da antimatéria é de cerca de 1%. Ambas as instalações estão atualmente em fase de montagem e depuração, e as principais pesquisas terão início em 2017, quando o moderador antipróton AD será complementado pelo novo anel de armazenamento ELENA.
Variantes do comportamento dos pósitrons na matéria sólida.
Imagem: nature.com
O que acontece se um pósitron entrar na matéria?
Formação de positrônio molecular em uma superfície de quartzo.
Imagem: Clifford M. Surko / Física atômica: um cheiro de sopa de antimatéria
Se você leu até aqui, já sabe muito bem que assim que uma partícula de antimatéria entra na matéria comum, ocorre a aniquilação: as partículas e a antipartícula desaparecem e se transformam em radiação. Mas com que rapidez isso acontece? Vamos imaginar um pósitron que voou do vácuo e entrou em uma substância sólida. Será aniquilado ao entrar em contato com o primeiro átomo? Nem um pouco necessário! A aniquilação de um elétron e de um pósitron não é um processo instantâneo; requer muito tempo em escalas atômicas. Portanto, o pósitron consegue viver uma vida brilhante na matéria, cheia de acontecimentos não triviais.
Primeiro, um pósitron pode pegar um elétron órfão e formar um estado ligado, o positrônio (Ps). Dada uma orientação de spin adequada, o positrônio pode viver dezenas de nanossegundos antes da aniquilação. Estando na matéria sólida, durante esse tempo ele terá tempo de colidir com átomos milhões de vezes, pois a velocidade térmica do positrônio à temperatura ambiente é de cerca de 25 km/s.
Em segundo lugar, à deriva em uma substância, o positrônio pode vir à superfície e aderir lá - este é um análogo positrônico (ou melhor, positrônio) da adsorção atômica. À temperatura ambiente, ele não fica em um só lugar, mas viaja ativamente pela superfície. E se esta não for uma superfície externa, mas um poro do tamanho de um nanômetro, então o positrônio fica preso nele por um longo tempo.
Além disso. No material padrão para tais experimentos, o quartzo poroso, os poros não são isolados, mas conectados por nanocanais em uma rede comum. O positrônio quente, rastejando pela superfície, terá tempo de examinar centenas de poros. E como muito positrônio é formado nesses experimentos e quase todos eles rastejam pelos poros, mais cedo ou mais tarde eles se chocam e, interagindo, às vezes formam moléculas reais - positrônio molecular, Ps 2. Então você pode estudar como o gás positrônio se comporta, quais estados excitados o positrônio possui, etc. E não pense que estas são considerações puramente teóricas; Todos esses efeitos já foram testados e estudados experimentalmente.
A antimatéria tem aplicações práticas?
Claro. Em geral, qualquer processo físico, se nos abrir alguma nova faceta do nosso mundo e não exigir quaisquer custos adicionais, certamente encontrará aplicações práticas. Além disso, aplicações que nós mesmos não teríamos imaginado se não tivéssemos descoberto e primeiro estudado o lado científico desse fenômeno.
A aplicação mais conhecida de antipartículas é a PET, tomografia por emissão de pósitrons. Em geral, a física nuclear tem um histórico impressionante de aplicações médicas, e as antipartículas também não ficam ociosas aqui. Com PET, uma pequena dose de um medicamento é injetada no corpo do paciente, contendo um isótopo instável com vida útil curta (minutos a horas) e decaindo devido ao decaimento beta positivo. A droga se acumula nos tecidos desejados, os núcleos decaem e emitem pósitrons, que se aniquilam nas proximidades e produzem dois quanta gama de uma determinada energia. O detector os registra, determina a direção e a hora de sua chegada e restaura o local onde ocorreu o decaimento. Isso permite construir um mapa tridimensional da distribuição da matéria com alta resolução espacial e com dose mínima de radiação.
Os pósitrons também podem ser usados na ciência dos materiais, por exemplo, para medir a porosidade de uma substância. Se a substância for contínua, os pósitrons presos na substância a uma profundidade suficiente são aniquilados rapidamente e emitem raios gama. Se houver nanoporos dentro da substância, a aniquilação é retardada porque o positrônio adere à superfície do poro. Ao medir esse atraso, é possível determinar o grau de nanoporosidade de uma substância por meio de um método sem contato e não destrutivo. Esta técnica é ilustrada por trabalhos recentes sobre como os nanoporos aparecem e se fecham na camada mais fina de gelo quando o vapor é depositado na superfície. Uma abordagem semelhante também funciona no estudo de defeitos estruturais em cristais semicondutores, por exemplo, vagas e deslocamentos, e permite medir a fadiga estrutural do material.
Os antiprótons também podem ter aplicações médicas. Agora, no mesmo CERN, está sendo conduzido o experimento ACE, que estuda o efeito de um feixe de antiprótons nas células vivas. Seu objetivo é estudar as perspectivas do uso de antiprótons na terapia do câncer.
Liberação de energia de um feixe de íons e raios X ao passar por uma substância.
Imagem: Johannes Gutleber/CERN
Essa ideia pode aterrorizar o leitor por hábito: como é que um feixe de antipróton atinge uma pessoa viva?! Sim, e é muito mais seguro do que irradiar um tumor profundo com raios X! Um feixe antipróton de energia especialmente selecionada torna-se nas mãos de um cirurgião uma ferramenta eficaz com a qual é possível queimar tumores nas profundezas do corpo e minimizar o impacto nos tecidos circundantes. Ao contrário dos raios X, que queimam tudo o que cai sob o feixe, as partículas pesadas e carregadas em seu caminho através da matéria liberam a maior parte de sua energia nos últimos centímetros antes de parar. Ajustando a energia das partículas, você pode variar a profundidade em que as partículas param; É esta região, medindo milímetros de tamanho, que sofrerá o principal impacto da radiação.
Este tipo de radioterapia por feixe de prótons tem sido usado há muito tempo em muitas clínicas bem equipadas em todo o mundo. Recentemente, alguns deles mudaram para a terapia iônica, que utiliza um feixe de íons de carbono em vez de prótons. Para eles, o perfil de liberação de energia é ainda mais contrastante, o que significa que a eficácia do par “efeitos terapêuticos versus efeitos colaterais” aumenta. Mas há muito que se propõe experimentar antiprótons para esse fim. Afinal, ao entrarem em uma substância, eles não apenas abrem mão de sua energia cinética, mas também se aniquilam após a parada - e isso aumenta várias vezes a liberação de energia. Onde esta energia extra é depositada é uma questão complexa e precisa de ser cuidadosamente estudada antes do lançamento dos ensaios clínicos.
Isto é exatamente o que o experimento ACE faz. Nele, os pesquisadores passam um feixe de antiprótons por uma cubeta contendo uma cultura bacteriana e medem sua sobrevivência em função da localização, dos parâmetros do feixe e das características físicas do ambiente. Esta recolha metódica e talvez enfadonha de dados técnicos é um importante estágio inicial de qualquer nova tecnologia.
Igor Ivanov
Ecologia do conhecimento: A antimatéria tem sido objeto de ficção científica há muito tempo. No livro e filme Anjos e Demônios, o professor Langdon tenta salvar o Vaticano de uma bomba de antimatéria. A nave Star Trek Enterprise usa um motor baseado em
A antimatéria tem sido objeto de ficção científica há muito tempo. No livro e filme Anjos e Demônios, o professor Langdon tenta salvar o Vaticano de uma bomba de antimatéria. A Starship Enterprise de Star Trek usa propulsão aniquiladora de antimatéria para viajar mais rápido que a velocidade da luz. Mas a antimatéria também é um objeto da nossa realidade. As partículas de antimatéria são virtualmente idênticas aos seus parceiros materiais, exceto pelo fato de terem carga e rotação opostas. Quando a antimatéria encontra a matéria, elas se aniquilam instantaneamente em energia, e isso não é mais ficção.
Embora bombas de antimatéria e navios movidos pelo mesmo combustível ainda não sejam possibilidades práticas, existem muitos fatos sobre a antimatéria que irão surpreendê-lo ou refrescar sua memória do que você já sabia.
1. A antimatéria deveria ter destruído toda a matéria do Universo após o Big Bang
Segundo a teoria, o Big Bang criou matéria e antimatéria em quantidades iguais. Quando eles se encontram, ocorre a destruição mútua, a aniquilação, e apenas a energia pura permanece. Com base nisso, não deveríamos existir.
Mas nós existimos. E, tanto quanto os físicos sabem, isso acontece porque para cada bilhão de pares matéria-antimatéria havia uma partícula extra de matéria. Os físicos estão fazendo o possível para explicar essa assimetria.
2. A antimatéria está mais perto de você do que você pensa
Pequenas quantidades de antimatéria chovem constantemente na Terra na forma de raios cósmicos, partículas energéticas do espaço. Estas partículas de antimatéria atingem a nossa atmosfera em níveis que variam de um a mais de cem por metro quadrado. Os cientistas também têm evidências de que a antimatéria é criada durante tempestades.
Existem outras fontes de antimatéria que estão mais próximas de nós. As bananas, por exemplo, produzem antimatéria emitindo um pósitron – a antimatéria equivalente a um elétron – cerca de uma vez a cada 75 minutos. Isso ocorre porque as bananas contêm pequenas quantidades de potássio-40, um isótopo natural de potássio. A decomposição do potássio-40 às vezes produz um pósitron.
Nossos corpos também contêm potássio-40, o que significa que você também emite pósitrons. A antimatéria se aniquila instantaneamente ao entrar em contato com a matéria, então essas partículas de antimatéria não duram muito.
3. As pessoas conseguiram criar muito pouca antimatéria
A aniquilação da antimatéria e da matéria tem o potencial de liberar enormes quantidades de energia. Um grama de antimatéria pode produzir uma explosão do tamanho de uma bomba nuclear. No entanto, as pessoas não produziram muita antimatéria, por isso não há nada a temer.
Todos os antiprótons criados no acelerador de partículas Tevatron do Fermilab mal mediriam 15 nanogramas. O CERN produziu apenas cerca de 1 nanograma até o momento. No DESY na Alemanha - não mais que 2 nanogramas de pósitrons.
Se toda a antimatéria criada pelos humanos fosse aniquilada instantaneamente, sua energia não seria suficiente nem para ferver uma xícara de chá.
O problema está na eficiência e no custo de produção e armazenamento de antimatéria. A criação de 1 grama de antimatéria requer cerca de 25 milhões de bilhões de quilowatts-hora de energia e custa mais de um milhão de bilhões de dólares. Não é de surpreender que a antimatéria seja por vezes incluída na lista das dez substâncias mais caras do mundo.
4. Existe uma armadilha de antimatéria
Para estudar a antimatéria, você precisa evitar que ela se aniquile com a matéria. Os cientistas encontraram várias maneiras de fazer isso.
Partículas carregadas de antimatéria, como pósitrons e antiprótons, podem ser armazenadas nas chamadas armadilhas de Penning. Eles são como pequenos aceleradores de partículas. Dentro deles, as partículas se movem em espiral enquanto os campos magnéticos e elétricos as impedem de colidir com as paredes da armadilha.
No entanto, as armadilhas Penning não funcionam para partículas neutras como o anti-hidrogênio. Por não terem carga, essas partículas não podem ser confinadas por campos elétricos. Eles são mantidos em armadilhas Ioffe, que funcionam criando uma região do espaço onde o campo magnético se torna mais forte em todas as direções. As partículas de antimatéria ficam presas na região com o campo magnético mais fraco.
O campo magnético da Terra pode atuar como armadilhas de antimatéria. Os antiprótons foram encontrados em certas zonas ao redor da Terra - os cinturões de radiação de Van Allen.
5. A antimatéria pode cair (literalmente)
Partículas de matéria e antimatéria têm a mesma massa, mas diferem em propriedades como carga elétrica e spin. O Modelo Padrão prevê que a gravidade deve afetar igualmente a matéria e a antimatéria, mas isso ainda precisa ser visto com certeza. Experimentos como AEGIS, ALPHA e GBAR estão trabalhando nisso.
Observar o efeito gravitacional na antimatéria não é tão fácil quanto observar uma maçã cair de uma árvore. Esses experimentos exigem manter a antimatéria presa ou desacelerá-la, resfriando-a a temperaturas logo acima do zero absoluto. E como a gravidade é a mais fraca das forças fundamentais, os físicos devem usar partículas neutras de antimatéria nestas experiências para evitar a interacção com a força mais poderosa da electricidade.
6. A antimatéria está sendo estudada em moderadores de partículas
Você já ouviu falar de aceleradores de partículas e de moderadores de partículas? O CERN possui uma máquina chamada Antiproton Decelerator, que captura e desacelera os antiprótons em um anel para estudar suas propriedades e comportamento.
Em aceleradores de partículas em forma de anel, como o Large Hadron Collider, as partículas recebem um impulso energético cada vez que completam um círculo. Os moderadores funcionam de maneira oposta: em vez de acelerar as partículas, eles são empurrados na direção oposta.
7. Os neutrinos podem ser suas próprias antipartículas
Uma partícula de matéria e seu parceiro antimatéria carregam cargas opostas, tornando-os fáceis de distinguir. Os neutrinos, partículas quase sem massa que raramente interagem com a matéria, não têm carga. Os cientistas pensam que podem ser partículas de Majorana, uma classe hipotética de partículas que são as suas próprias antipartículas.
Projetos como o Demonstrador Majorana e o EXO-200 visam determinar se os neutrinos são de fato partículas de Majorana, observando o comportamento do chamado decaimento beta duplo sem neutrinos.
Alguns núcleos radioativos decaem simultaneamente, emitindo dois elétrons e dois neutrinos. Se os neutrinos fossem suas próprias antipartículas, eles se aniquilariam após duplo decaimento, deixando os cientistas apenas com elétrons para observar.
A busca por neutrinos de Majorana poderia ajudar a explicar por que existe assimetria matéria-antimatéria. Os físicos sugerem que os neutrinos de Majorana podem ser pesados ou leves. Os leves existem hoje, mas os pesados existiram logo após o Big Bang. Os neutrinos pesados de Majorana decaíram assimetricamente, resultando no aparecimento de uma pequena quantidade de matéria que preencheu o nosso Universo.
8. A antimatéria é usada na medicina
PET, PET (topografia de emissão de pósitrons) usa pósitrons para produzir imagens de alta resolução do corpo. Isótopos radioativos emissores de pósitrons (como os encontrados nas bananas) ligam-se a substâncias químicas como a glicose, que são encontradas no corpo. Eles são injetados na corrente sanguínea, onde se decompõem naturalmente, emitindo pósitrons. Estes, por sua vez, encontram-se com os elétrons do corpo e aniquilam-se. A aniquilação produz raios gama, que são usados para construir imagens.
Cientistas do Projeto ACE do CERN estão estudando a antimatéria como uma potencial candidata ao tratamento do câncer. Os médicos já descobriram que podem direcionar feixes de partículas para os tumores, liberando sua energia somente depois de terem passado com segurança pelo tecido saudável. O uso de antiprótons adicionará uma explosão adicional de energia. Esta técnica foi considerada eficaz no tratamento de hamsters, mas ainda não foi testada em humanos.
9. A antimatéria pode estar à espreita no espaço
Uma maneira pela qual os cientistas estão tentando resolver o problema da assimetria matéria-antimatéria é procurando a antimatéria que sobrou do Big Bang.
O Espectrômetro Magnético Alfa (AMS) é um detector de partículas localizado na Estação Espacial Internacional que procura tais partículas. O AMS contém campos magnéticos que curvam o caminho das partículas cósmicas e separam a matéria da antimatéria. Seus detectores devem detectar e identificar essas partículas à medida que passam.
As colisões de raios cósmicos normalmente produzem pósitrons e antiprótons, mas a probabilidade de criação de um átomo de antihélio permanece extremamente pequena devido à enorme quantidade de energia necessária para este processo. Isto significa que a observação de um único nucléolo de anti-hélio seria uma evidência poderosa da existência de quantidades gigantescas de antimatéria em outras partes do universo.
10. Na verdade, as pessoas estão estudando como alimentar naves espaciais com combustível de antimatéria.
Apenas um pouco de antimatéria pode produzir enormes quantidades de energia, tornando-a um combustível popular para naves futurísticas na ficção científica.
A propulsão de foguetes de antimatéria é hipoteticamente possível; a principal limitação é coletar antimatéria suficiente para que isso aconteça.
Ainda não existe tecnologia para produzir em massa ou coletar antimatéria nas quantidades necessárias para tais aplicações. No entanto, os cientistas estão trabalhando na simulação desse movimento e armazenamento dessa mesma antimatéria. Um dia, se encontrarmos uma forma de produzir grandes quantidades de antimatéria, a sua investigação poderá ajudar as viagens interestelares a tornarem-se uma realidade. Publicados
A disponibilização pública de informações de qualquer espécie, a abundância de filmes de ficção científica, cujos temas estão relacionados com determinados problemas científicos ou pseudocientíficos, a popularidade de romances sensacionais - tudo isto levou à formação de um número considerável de mitos sobre o nosso mundo. Por exemplo, graças a inúmeras teorias que apresentam variantes do Fim do Mundo, o conceito de “antimatéria” tornou-se amplamente utilizado. Nas obras de arte e nas teorias apocalípticas, a antimatéria refere-se a uma determinada substância cujas propriedades são opostas à substância, a matéria. Uma espécie de buraco negro que absorve e destrói tudo o que cai na sua zona de atração. O que é antimatéria, de fato, você não precisa perguntar a escritores, diretores e aqueles obcecados pela expectativa de um colapso geral, mas a cientistas.
Antipartículas e antimatéria são uma parte normal do universo
Os cientistas dirão que não há nada terrível ou catastrófico na antimatéria. Até porque é impossível opor matéria e antimatéria - o que comumente se chama de antimatéria é na verdade um tipo de substância, ou seja, matéria. De acordo com a classificação científica, as partículas de matéria são geralmente chamadas de estruturas materiais que consistem em átomos rodeados por partículas elementares. A parte básica de um átomo é o núcleo, que tem carga positiva, e as partículas elementares ao seu redor têm carga negativa. São os mesmos elétrons cujo nome usamos todos os dias na vida cotidiana quando mencionamos eletrônicos e eletrodomésticos.
A antimatéria consiste em antipartículas, ou seja, aquelas estruturas materiais cujos núcleos têm carga negativa e as partículas que os rodeiam têm carga positiva.
Partículas elementares positivas foram descobertas pelos cientistas apenas em 1932 e chamadas de pósitrons. Também não há drama fatal na interação de partículas e antipartículas, matéria e antimatéria. Ocorre a aniquilação - o processo de transformação da matéria reativa e da antimatéria em partículas fundamentalmente novas que não existiam inicialmente e têm propriedades diferentes das partículas “mãe” originais. É verdade que o “efeito colateral” pode ser bastante perigoso: a aniquilação é acompanhada pela liberação de uma enorme quantidade de energia. Estima-se que a reação de 1 quilograma de matéria com 1 quilograma de antimatéria liberará energia igual a aproximadamente 43 megatons de TNT explodindo. A bomba nuclear mais poderosa que explodiu na Terra tinha um potencial de cerca de 58 megatons de TNT.
Como obter antimatéria não é uma questão para a ciência
A realidade da antimatéria é um fato comprovado. As suposições teóricas dos cientistas combinaram-se harmoniosamente com o quadro científico geral do mundo, e então as antipartículas foram descobertas experimentalmente. Há quase cinquenta anos que as antipartículas têm sido produzidas artificialmente através da reação de interação entre partículas e antipartículas. Em 1965, o anti-deuteron foi sintetizado e 30 anos depois foi obtido o anti-hidrogênio (sua diferença do hidrogênio “clássico” é que o átomo de antimatéria consiste em um pósitron e um antipróton). Os cientistas foram mais longe e em 2010-2011 conseguiram “capturar” átomos de antimatéria em condições de laboratório. Deixe apenas cerca de 40 átomos ficarem na “armadilha” e eles serão capazes de mantê-los por 172 milissegundos.
As perspectivas práticas para o estudo de antipartículas são óbvias, dado o enorme potencial energético da interação de partículas e antipartículas.
O uso da antimatéria e o lançamento desse processo de forma controlada eliminam de uma vez por todas o problema de obtenção de energia.
A dificuldade, como sempre, está no dinheiro: cálculos mostram que hoje custaria cerca de 60 trilhões de dólares para produzir apenas um grama de antimatéria. Assim, as fontes de energia tradicionais continuam a ser relevantes por enquanto - mas a investigação precisa de continuar. Além disso, já na virada dos séculos 20 para 21, astrônomos e astrofísicos descobriram fontes de antimatéria no Universo. Em particular, foram obtidos dados sobre fluxos reais de partículas elementares carregadas positivamente (pósitrons) movendo-se no espaço sideral. Surgiram diversas teorias, mais ou menos fundamentadas por pesquisas práticas, que explicam os mecanismos de formação de antipartículas em condições naturais.
Uma explicação muito popular é que as antipartículas são formadas num forte campo gravitacional em buracos negros. Esse campo gravitacional interage com a matéria “comum” e, como resultado do processo de “processamento” da matéria, são obtidos pósitrons - partículas que, sob a influência da gravidade, mudaram sua carga de negativa para positiva. Outro conceito aponta para elementos radioativos que ocorrem naturalmente, dos quais os mais conhecidos são as supernovas. Supõe-se que estes reatores nucleares naturais “produzem” antipartículas como subproduto. Existem outras versões: por exemplo, o processo de fusão de duas estrelas pode ser acompanhado pela formação de partículas com carga alterada ou, pelo contrário, tal efeito pode dar origem à morte de estrelas.
Onde encontrar antimatéria – um quebra-cabeça para pesquisadores
Assim, a presença de antimatéria é inegável. Mas, como costuma acontecer no estudo dos segredos do Universo, surgiu um problema fundamental, que a ciência nesta fase do seu desenvolvimento ainda não conseguiu resolver. De acordo com o princípio da simetria da estrutura do Universo 
, nosso mundo deveria conter aproximadamente a mesma quantidade de matéria que antimatéria, tantos átomos consistindo de um núcleo positivo e partículas carregadas negativamente quanto átomos com um núcleo negativo e partículas positivas. Mas, na prática, nenhum vestígio de acumulações de antimatéria em grande escala (os teóricos até criaram um nome para tais acumulações - “antimundo”) foram descobertos no momento.
Nas observações astronômicas, a antimatéria é detectada muito bem apenas devido à radiação gama emitida. No entanto, os optimistas não perdem a esperança – e com razão.
Em primeiro lugar, a Terra pode estar localizada naquela parte “material” do Universo que está ao máximo distante da metade “antimatéria”. Isso significa que a questão toda são dispositivos de observação insuficientemente poderosos e sofisticados. Em segundo lugar, em termos de radiação eletromagnética, objetos constituídos por matéria e antimatéria são indistinguíveis, portanto o método de observação óptica é inútil aqui. Em terceiro lugar, as teorias de compromisso não foram rejeitadas - por exemplo, a de que o Universo tem uma estrutura celular, na qual cada célula consiste em metade matéria e metade antimatéria.
Alexandre Babitsky
