Físicos conseguem prender uma única partícula de antimatéria por um mês

Pela primeira vez na história, pesquisadores conseguiram isolar e reter uma única partícula de antimatéria por um período de um mês, abrindo caminho para medições quânticas inéditas em um pósitron. Como a antimatéria se aniquila instantaneamente ao entrar em contato com a matéria comum, estudá-la sempre representou um desafio monumental para a ciência. O feito recente, contudo, permite manter uma partícula subatômica presa por meses de forma que seus estados quânticos possam ser analisados detalhadamente, o que pode eventualmente solucionar o enigma de por que o universo atual é dominado pela matéria.

Para construir o sistema de contenção, a equipe iniciou o processo utilizando átomos de sódio 22, um isótopo radioativo com uma meia-vida de aproximadamente dois anos e meio. Quando ocorre o decaimento desses átomos, há a emissão de um pósitron, que funciona como a contraparte de antimatéria do elétron.

“O grande desafio é persuadir esses pósitrons a desacelerar e depois capturá-los”, afirma Gerald Gabrielse, físico da Universidade Northwestern que supervisionou o projeto. A equipe relatou a conquista na última quarta-feira no periódico Physical Review Letters.

O procedimento inicial consiste em disparar os pósitrons através da rede cristalina de uma fina lâmina de tungstênio resfriado. Conforme as partículas ricocheteiam pelo material, elas perdem energia e reduzem a velocidade. “Cada vez que eles batem em algo, há uma chance de aniquilação, mas isso nem sempre acontece”, diz Gabrielse. “Se eles conseguem chegar até o fim, eles são expelidos.”

Em seguida, os pesquisadores direcionam os pósitrons por um canal utilizando campos eletromagnéticos até que as partículas alcancem o vácuo, a apenas três décimos de grau Celsius acima do zero absoluto. Lá, elas ficam retidas por um campo elétrico nas partes superior e inferior e por um campo magnético nas laterais. “Se você quer segurar a antimatéria, você tem que segurá-la em um recipiente sem paredes”, explica Gabrielse. Essa técnica garantiu o isolamento e o estudo de um único pósitron solitário por um mês, abrindo a perspectiva de mantê-lo aprisionado indefinidamente.

Próximos passos na física de partículas

O grupo pretende utilizar a armadilha para realizar medições precisas do momento magnético do pósitron, avaliando a força e a orientação de seu campo magnético. Para isso, os cientistas precisam calcular dois fatores: a energia necessária para inverter a direção do spin do pósitron e a energia exigida para fazê-lo saltar de seu estado fundamental para o primeiro estado excitado.

Utilizando uma configuração de armadilha semelhante, Gabrielse e seus colaboradores já mediram o momento magnético de um elétron com uma precisão de uma parte em 10 trilhões. O cálculo equivalente para o pósitron viabilizará uma comparação crucial. “Estamos procurando ver se eles têm um momento magnético exatamente oposto”, aponta Gabrielse. Trata-se da previsão estabelecida pelo Modelo Padrão da física de partículas. Caso os valores apresentados sejam diferentes, o resultado poderá esclarecer a predominância da matéria sobre a antimatéria no cosmos.

Acredita-se que, logo após o Big Bang, existiam quantidades equivalentes de ambas. Embora a maior parte tenha se aniquilado, um pequeno excedente de matéria acabou sobrevivendo para formar as estrelas e os planetas conhecidos. A medição do momento magnético é apenas uma das frentes onde especialistas buscam divergências capazes de justificar essa profunda discrepância.

“Gire cada partícula para sua antipartícula, olhe para a física através de um espelho (invertendo a esquerda e a direita) e aperte o ‘botão de retrocesso’ para inverter o fluxo do tempo”, ilustra Roni Harnik, físico teórico do Laboratório Acelerador Nacional Fermi, em Batavia, Illinois, que não participou do estudo. “Nossas teorias mais básicas dizem que a física permanece a mesma.”

Caso a realidade mostre o contrário — revelando, por exemplo, que o pósitron possui um momento magnético distinto do elétron —, a ciência finalmente obterá uma pista concreta sobre a vitória da matéria. “Este é um desenvolvimento emocionante”, conclui Harnik, “que nos permitirá testar uma simetria básica.”