Notícia científica · Física de partículas
Pesquisadores controlaram os estados quânticos de um pósitron. O avanço prepara uma comparação mais precisa entre matéria e antimatéria.
Por Edwar Montenegro ·
Estudo publicado em 21 de outubro na Physical Review Letters.
Uma única partícula pode colocar à prova algumas das ideias mais profundas que temos sobre a natureza. Para isso, precisamos conseguir observá-la com precisão suficiente para perceber diferenças que escaparam aos experimentos anteriores.
Foi nessa direção que avançou uma equipe da Universidade Northwestern, nos Estados Unidos. Em um estudo publicado na revista Physical Review Letters, os pesquisadores demonstraram um sistema capaz de aprisionar um pósitron, a antipartícula do elétron, e controlar seus estados quânticos. Um único pósitron permaneceu confinado por meses.
O resultado abre caminho para investigar, com mais rigor, se matéria e antimatéria obedecem à relação prevista pelas teorias atuais.
Uma partícula que exige distância
O elétron faz parte dos átomos que compõem nosso corpo, o ar e os objetos ao redor. O pósitron tem a mesma massa, mas sua carga elétrica é positiva. Quando um elétron e um pósitron se encontram, podem sofrer aniquilação, convertendo sua energia em outras formas, como fótons, as partículas da luz.
Por isso, guardar um pósitron exige mais cuidado do que colocá-lo em um recipiente. É preciso mantê-lo afastado da matéria das paredes e reduzir ao máximo as colisões com o gás que ainda possa existir no ambiente.
Os pesquisadores utilizaram uma armadilha de Penning, que combina campos elétricos e magnéticos para confinar uma partícula carregada. Imagine uma região em que essas forças limitam seu movimento e a mantêm longe das paredes. A sustentação vem dos campos.
O frio que permite enxergar os detalhes
A armadilha foi resfriada a cerca de 0,3 kelvin, o equivalente a −272,85 °C, e operou com um campo magnético de 5,6 teslas. O frio extremo reduz a radiação térmica que poderia fornecer energia ao pósitron e atrapalhar a preparação do seu estado quântico.
O desafio começa antes do aprisionamento. Os pósitrons utilizados vêm do decaimento radioativo do sódio-22 e saem com energias muito superiores às necessárias para a medição. A equipe precisou desacelerá-los, conduzi-los até a armadilha e resfriar seu movimento.
O processo para carregar um pósitron levou entre oito e onze horas. Depois de capturada, porém, a mesma partícula pôde ser estudada por meses.
Os degraus da energia
No mundo quântico, certos movimentos têm energias permitidas em valores separados. Uma analogia útil é a de uma escada: cada degrau representa um nível possível. A imagem ajuda a visualizar a separação entre os níveis de energia do movimento do pósitron no campo magnético.
Com micro-ondas ajustadas à frequência adequada, os pesquisadores provocaram transições entre esses níveis e acompanharam os saltos individuais. Também observaram mudanças de spin, uma propriedade quântica associada ao comportamento magnético da partícula.
O sistema permitiu identificar esses estados sem que a própria detecção os modificasse. Além disso, a cavidade da armadilha prolongou a duração de um estado excitado do movimento de aproximadamente 83 milissegundos, no espaço livre, para cerca de quatro segundos. Esse tempo adicional permite registrar um sinal muito pequeno antes que o pósitron perca a energia recebida.
Uma comparação que pode testar a teoria
O próximo objetivo é medir o momento magnético do pósitron. Podemos pensar nessa grandeza como uma medida de sua resposta magnética. A comparação com o elétron permite examinar uma previsão fundamental: seus momentos magnéticos devem ter a mesma intensidade e sinais opostos.
Essa relação está ligada à simetria CPT, que combina operações envolvendo partículas e antipartículas, inversão espacial e inversão temporal. Ela ocupa um lugar central nas teorias que descrevem as partículas fundamentais. Uma diferença confirmada entre elétron e pósitron, além das incertezas experimentais, exigiria uma revisão profunda dessa descrição.
Os autores avaliam que, após aperfeiçoamentos e uma investigação das incertezas, a técnica poderá permitir um teste dessa simetria mais de 30 vezes mais preciso do que o já alcançado no setor dos léptons, a família de partículas à qual pertence o elétron. Essa melhoria é uma perspectiva para o trabalho seguinte.
O estudo atual demonstra o funcionamento do sistema. A nova medição de alta precisão e a comparação com o elétron ainda precisam ser realizadas.
O tamanho de uma descoberta
Há uma pergunta maior que ajuda a entender o interesse pela antimatéria: por que o universo observável contém tanta matéria e tão pouca antimatéria? Essa assimetria continua sendo um problema em aberto. Investigar diferenças entre partículas e antipartículas faz parte desse esforço, embora este experimento, por si só, não resolva a questão cosmológica.
O que me chama a atenção nessa pesquisa é o trabalho necessário para tornar uma pergunta verificável. Foi preciso criar condições de temperatura, isolamento e controle capazes de revelar as mudanças de uma única partícula.
Uma medição futura poderá confirmar as previsões com maior precisão ou revelar uma diferença inesperada. As duas possibilidades ampliam nosso conhecimento: uma delimita melhor o alcance da teoria; a outra pode indicar onde precisamos construir uma explicação nova.
Talvez essa seja uma das razões mais bonitas para acompanhar a ciência. Uma pergunta sobre as leis do universo pode começar com a paciência de observar uma única partícula.