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Nosso universo deveria ser uma névoa sem forma de energia. Por que ele não é?

De acordo com as leis conhecidas da física, o universo que vemos hoje deveria ser escuro, vazio e silencioso. Não deveria ter estrelas, nem planetas, nem galáxias e não haveria energia para formar a vida e partículas simples difundiriam-se cada vez mais para um universo em expansão.

E ainda assim, aqui estamos nós.

Os cosmólogos calculam que cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, o nosso universo era um pedaço de espessura de energia, quente, sem limites e sem suas próprias regras. Mas então, em menos de um microssegundo, ele amadureceu, e as leis e propriedades da matéria surgiram a partir do pandemônio fundamental. Mas, como é que o nosso universo elegante e intrincado emergiu? 


As três condições

A pergunta "Como ele está aqui?" Alude a um enigma que surgiu durante o desenvolvimento da mecânica quântica. 

Em 1928, Paul Dirac combinou a teoria quântica e a relatividade especial para prever a energia de um elétron se movendo perto da velocidade da luz. Mas suas equações produziram duas respostas igualmente favoráveis: uma positiva e outra negativa. Como a própria energia não pode ser negativa, Dirac ponderou que talvez as duas respostas representavam duas possíveis cargas elétricas da partícula. A ideia de cargas opostas em pares de matéria-antimatéria nasceu.


Enquanto isso, a cerca de seis minutos de distância do escritório de Dirac em Cambridge, o físico Patrick Blackett foi estudar os padrões gravados por raios cósmicos na Câmara de Wilson. Em 1933, ele detectou 14 faixas que mostravam uma única partícula de luz colidindo com uma molécula de ar e explodindo em duas novas partículas. As pistas espirais destas novas partículas eram imagens espelhadas umas da outras, indicando que elas tinham carga oposta. Esta foi uma das primeiras observações que Dirac havia previsto cinco anos antes, o nascimento de um par elétron-pósitron.

Hoje é sabido que a matéria e a antimatéria são as Supergêmeas finais. Elas espontaneamente nasceram a partir da energia crua como uma equipe de duas e desapareceram em um silencioso poof de energia quando eles se fundiram e se aniquilaram. Este ato de aparecer-desaparecer gerou um dos mistérios mais fundamentais no universo: o que está gravado nas leis da natureza que nos salvou do caldo de criação e aniquilação das partículas de matéria e antimatéria?

"Sabemos que essa assimetria cósmica deu as condições para estamos aqui hoje", diz Jessie Shelton, um teórico da Universidade de Illinois. "É um desequilíbrio intrigante o fato da teoria exigir três condições - e todas devem ser reais de uma só vez - para criar essa preferência cósmica para a matéria."

Nos anos 1960, o físico Andrei Sakharov propôs este conjunto de três condições que poderiam explicar o aparecimento do nosso universo dominado pela matéria. Os cientistas continuam a procurar evidências de estas condições hoje.

1. Rompendo a corda

O primeiro problema é que matéria e antimatéria sempre pareceram ter nascido juntas. Assim como Blackett observou nas câmaras de nuvem, a energia descarregada transforma em pares de matéria-antimatéria equilibrada. A carga é sempre conservada através de qualquer transição. Para que haja um desequilíbrio nas quantidades de matéria e antimatéria, é preciso haver um processo que cria mais do que destrói. 

"O primeiro critério de Sakharov essencialmente diz que deve haver algum processo novo que converte a antimatéria em matéria, ou vice-versa", diz Andrew Long, pesquisador de pós-doutorado em cosmologia na Universidade de Chicago. "Esta é uma das coisas experimentalistas que estamos procurando no laboratório."

Na década de 1980, os cientistas procuravam provas da primeira condição de Sakharov, procurando por sinais de um próton em decomposição em um pósitron e dois fótons. Eles ainda têm de encontrar evidências dessa alquimia moderna, mas eles continuam a procurar. 

"Nós pensamos que o universo primitivo poderia ter contido uma partícula neutra pesada que, por vezes deteriora-se em matéria e, por vezes deteriora-se em antimatéria, mas não necessariamente em ambas ao mesmo tempo", disse Long.


2. Escolha um favorito

Matéria e antimatéria não podem co-habitar; elas sempre aniquilam-se quando entram em contato. Mas a criação de apenas um pouco mais matéria do que antimatéria após o Big Bang - cerca de uma parte em 10 bilhões - deixaria para trás os ingredientes necessários para construir todo o universo visível.

Como isso poderia acontecer? segundo o critério de Sakharov, o processo de criação de matéria do seu primeiro critério deve ser mais eficiente do que o processo de anti-matéria oposto. E, especificamente, "precisamos ver um favoritismo para certos tipos de matéria que concordam com as observações astronômicas", diz Shelton.

Observações da luz remanescente do início do universo e as medidas dos primeiros elementos leves produzidos após o Big Bang mostram que a discrepância deve existir em uma classe de partículas chamadas bárions: prótons, antiprótons e outras partículas construídas a partir de quarks.

"Estes são instantâneos do início do Universo", diz Shelton. "A partir desses instantâneos, podemos derivar a densidade e temperatura do início do Universo e calcular a pequena diferença entre o número de bárions e antibárions."

Mas essa pequena diferença apresenta um problema. Embora existam algumas pequenas discrepâncias entre o comportamento das partículas e suas correspondentes antipartículas, essas idiossincrasias ainda são consistentes com o modelo padrão e não são suficientes para explicar a origem do desequilíbrio cósmico, nem ternura do universo para a matéria.


3. Tomando uma rua de mão única

Em física de partículas, qualquer processo que corre para a frente pode facilmente executar o sentido inverso. Um par de fótons pode se fundir e se transformar em um par de partículas e antipartículas. E com a mesma facilidade, o par de partículas e antipartículas podem recombinar em um par de fótons. Este processo acontece ao nosso redor, continuamente. Mas como ele é cíclico, não há ganho ou perda para um tipo de matéria.

Se isto fosse sempre verdadeiro, o nosso universo jovem poderia ter sido bloqueado em um loop infinito de criação e destruição. Sem algo freando estes ciclos, pelo menos por um momento, a matéria não poderia ter evoluído para que as estruturas complexas que vemos hoje.

"Para cada ponto que está unido, há um puxão simultâneo no segmento", diz Long. "Precisamos de uma maneira de forçar a reação de avançar e simultaneamente executar em sentido inverso ao mesmo ritmo."

Muitos cosmólogos suspeitam que a expansão gradual e  o resfriamento do universo foi suficiente para travar a matéria a ser, como um chá doce supersaturado cujos cristais de açúcar caem para o fundo do vidro enquanto esfriam (ou, na interpretação de "congelamento", como um chá doce que congela instantaneamente, travando os cristais de açúcar sem dar-lhes uma chance para dissolver).

Outros cosmólogos pensam que o plasma do início do universo podem ter contido bolhas que ajudaram a matéria e a antimatéria se separarem (e depois serviu como incubadoras de partículas adquirindo massa).

Vários experimentos no CERN estão procurando evidências para saber se o universo reúne as três condições de Sakharov. Por exemplo, vários experimentos de precisão como a Fábrica de Antimatéria do CERN estão procurando diferenças minúsculas entre as características intrínsecas de prótons e antiprótons. O experimento LHCb no Large Hadron Collider está examinando os padrões de decaimento de partículas instáveis de matéria e antimatéria.

Shelton e Long esperam que as pesquisas a partir dos experimentos no LHC serão a chave para a construção de uma imagem mais completa do nosso universo primordial.

Experimentos do LHC poderia descobrir que o campo de Higgs serviu de bloqueio que parou o universo inicial perpetuamente em evolução e formou a sopa de partículas, especialmente se o campo que continha bolhas que congelaram mais rápido do que outras, oferecendo pratos de petri cósmicos em que matéria e antimatéria poderiam evoluir de forma diferente, diz Long. "Mais medidas do bóson de Higgs e as propriedades fundamentais da matéria e antimatéria vão nos ajudar a desenvolver melhores teorias e uma melhor compreensão do que e de onde viemos."

O que exatamente aconteceu durante o nascimento do nosso universo pode permanecer sempre em um poço de enigmas, mas continuamos a procurar novas peças deste quebra cabeças formidável.

 Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine
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Por Charles Q. Choi

Uma das grandes questões remanescentes sobre o nosso Universo é por que há muito mais matéria do que antimatéria. Credidos: GiroScience / Shutterstock.com

Pela primeira vez, os físicos mostraram que os átomos de antimatéria parecem emitem o mesmo tipo de luz que os átomos de matéria normal emitem quando iluminados com lasers, segundo um novo estudo.

Medidas mais precisas desta luz emitida podem descobrir pistas que ajudariam finalmente a resolver o mistério de por que há menos antimatéria do que matéria normal no universo, disseram os pesquisadores.

Para cada partícula de matéria normal, existe um anti-matéria homóloga com a mesma massa, mas com carga eléctrica oposta. As antipartículas do elétron e do próton, por exemplo, são os pósitrons e antiprótons, respectivamente.

Quando uma partícula encontra sua antipartícula, elas se aniquilam mutuamente, emitindo uma explosão de energia. Um grama de antimatéria aniquilaria um grama de matéria e iria liberar cerca de duas vezes mais  energia que a bomba nuclear lançada sobre Hiroshima, Japão. (Você não tem que se preocupar com bombas de antimatéria aparecendo tão cedo; pesquisadores estão muito longe de criar qualquer coisa próxima de um grama de antimatéria.)

Permanece um mistério do porquê que há muito mais matéria do que antimatéria  no universo. O Modelo Padrão da física de partículas - ainda a melhor descrição de como os blocos de construção básicos do universo se comportam - sugere que o Big Bang deve ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria. 

Luz sobre a antimatéria

Os cientistas gostariam de saber mais sobre a antimatéria para ver se ela se comporta de forma diferente a partir de matéria de uma forma que poderia ajudar a resolver o enigma do porquê do universo ter tão pouca antimatéria.

Um conjunto experimentos-chave envolvem o brilho de lasers em átomos de antimatéria, que podem absorver e emitir luz - muito parecido com o que os átomos de matéria regular fazem. Se os átomos de anti-hidrogênio emitirem um espectro de luz diferente do que átomos de hidrogênio, tais diferenças espectrais poderiam produzir insights sobre outras maneiras de descobrir as diferenças entre matéria e antimatéria, disseram os pesquisadores.

Agora, pela primeira vez, os cientistas utilizaram lasers para realizar uma análise espectral de átomos de anti-hidrogênio.

"Eu gosto de chamar isso o Santo Graal da física de antimatéria", disse o co-autor do estudo, Jeffrey Hangst, físico da Universidade de Aarhus, na Dinamarca. "Eu tenho trabalhado por mais de 20 anos para tornar isso possível, e este projeto está finalmente se concretizando depois de muitas etapas difíceis."

Os investigadores fizeram experimentos com anti-hidrogênio, que é o átomo de antimatéria mais simples, tal como o átomo de hidrogênio, que é o mais simples de matéria normal. Átomos de anti-hidrogênio são, cada um, compostos por um antipróton e um pósitron.

Criar  antimatéria o suficiente para que os investigadores examinem provou altamente desafiador. Para criar átomos de anti-hidrogênio, os pesquisadores misturaram nuvens de cerca de 90.000 antiprótons com nuvens de cerca de 1,6 milhões pósitrons (ou antielétrons), produzindo cerca de 25.000 átomos de anti-hidrogênio por tentativa, usando o aparelho de alfa-2, que é um sistema de aprisionamento e geração de antimatéria, localizado na Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN), na Suíça.


Depois que os pesquisadores criaram os átomos de anti-hidrogênio, "você tem de segurá-los, e isso é muito difícil", disse Hangst. O anti-hidrogênio é eletricamente neutro, o que significa que não pode ser mantido no lugar usando campos elétricos", e você tem que mantê-lo longe da matéria, por isso tem que ser mantido em alto vácuo", disse ele. Além disso, ao manter a antimatéria em temperaturas próximas do zero absoluto (menos 459.67 graus Fahrenheit, ou menos 273,15 graus Celsius), os movimentos dos átomos de anti-hidrogênio ficam mais lentos e, assim, eles ficam mais fáceis de segurar.

Os pesquisadores prenderam átomos de anti-hidrogênio  em campos magnéticos muito fortes. "Agora podemos armazenar cerca de 15 átomos de anti-hidrogênio em um dado momento", disse Hangst.

Em seguida, ele emitiram um laser sobre o anti-hidrogênio, o que fez com que os átomos emitissem luz. Os cientistas, em seguida, mediram o espectro da luz do anti-hidrogênio com uma precisão de cerca de algumas peças em 10^-10 ou seja, um 1 com 10 zeros à esquerda. Em comparação, os pesquisadores atualmente podem medir essas propriedades de hidrogênio a uma precisão de poucas partes em 10^15. "Queremos medir anti-hidrogênio com a mesma precisão que o hidrogênio, e não vemos razão por que não podemos fazer isso no futuro", disse Hangst.

Os espectros de luz de hidrogênio e anti-hidrogênio podem ser parecidos.

No entanto, a medição do anti-hidrogênio com maior precisão pode, em última análise, revelar diferenças entre matéria e antimatéria que poderiam resolver o mistério da antimatéria em falta e levar a mudanças revolucionárias no Modelo Padrão. "Este é um trabalho que realmente pode mudar o jogo", disse Hangst.

Os cientistas detalharam suas descobertas on-line em 19 de dezembro na revista Nature.

Artigo original [Livescience]
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A luz está em tudo à nossa volta, mas quanto você realmente sabe sobre os fótons em alta velocidade passando por você?

Há mais luz do que aparenta. Aqui estão oito fatos esclarecedoras sobre fótons:

 1. fótons podem produzir ondas de choque na água ou no ar, semelhante a bombas sônicas.

 Nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo. No entanto, a luz desacelera no ar, água, vidro e outros materiais a medida que os fótons interagem com átomos e isso tem algumas consequências interessantes.

 Os raios gama de energia maior do espaço bateu na atmosfera mais rápido que a velocidade da luz no ar. Estes fótons produzem ondas de choque no ar, muito parecido com uma bomba sônica. Observatórios como o VERITAS no Arizona procuram esses fótons secundários, que são conhecidos como radiação de Cherenkov. Reatores nucleares também apresentam Cherenkov leve na água ao redor do combustível nuclear.


 2. a maioria dos tipos de luz são invisíveis aos nossos olhos.

 As cores são o caminho dos nossos cérebros para interpretar o comprimento de onda de luz: até onde a luz viaja antes do onda padrão repetir-se. Mas as cores que vemos — chamada de "visível" ou luz "óptica"— são apenas uma pequena amostra do espectro eletromagnético total.

 O vermelho é a luz de comprimento de onda mais longo. Se esticar mais as ondas obterá o infravermelho, microondas e ondas de rádio. Comprimentos de onda mais curtos do que o violeta são chamados de de ultravioleta, raios x e raios gama. Comprimento de onda é também um substituto para a energia: os longos comprimentos de onda de rádio tem baixa energia e os raios gama de comprimentos de onda curtos têm a maior energia, e são perigosas para os tecidos vivos.





 3. os cientistas podem realizar medições em fótons únicos.

 Luz feita de partículas chamadas fótons, pacotes do campo eletromagnético que carregam uma quantidade específica de energia. Com experimentos suficientemente sensíveis, você pode contar os fótons ou mesmo realizar medições em um único deles. Pesquisadores têm até mesmo congelado a luz temporariamente.
Mas não pense que fótons são bolas de bilhar. Eles também são ondas: eles podem interferir uns com os outros para produzir padrões de luz e escuridão. O modelo do fóton foi um dos primeiros triunfos da física quântica; o trabalho posterior mostrou que elétrons e outras partículas da matéria também têm propriedades de onda.



4. fótons de aceleradores de partículas são usados em química e biologia.

 Comprimentos de onda da luz visível são maiores do que os átomos e moléculas, então não podemos literalmente ver os componentes da matéria. No entanto, os comprimentos de onda curtos da luz ultravioleta e raios-x são adequados para mostrar tal estrutura pequena. Com métodos para ver esses tipos de alta energia de luz, os cientistas obtém um vislumbre do mundo atômico.
Aceleradores de partículas podem fazer fótons de comprimentos de onda específicos acelerando elétrons usando campos magnéticos; Isso é chamado de "radiação síncrotron." Os pesquisadores utilizam aceleradores de partículas para fazer raios-x e luz ultravioleta para estudar a estrutura de moléculas e vírus e até mesmo fazer filmes de reações químicas.


5. a luz é a manifestação de uma das quatro forças fundamentais da natureza.

 Fótons carregam a força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais (juntamente com a força fraca, a força forte e gravidade). Como um elétron se move através do espaço, outras partículas carregadas senti-lo graças a atração ou repulsão elétrica. Como o efeito é limitado pela velocidade da luz, outras partículas reagem, na verdade, onde o elétron estava em vez de onde está. Física quântica explica isto descrevendo o espaço vazio como uma sopa fervilhante de partículas virtuais. Os elétrons levantam fótons virtuais, que viajam à velocidade da luz e atingem com outras partículas, trocando energia e momentum.



 6. fótons são facilmente criados e destruídos.

 Ao contrário da matéria, todos os tipos de coisas podem criar ou destruir os fótons. Se você está lendo isso em uma tela de computador, a luz de fundo está fazendo fótons viajarem para o seu olho, onde eles são absorvidos — e destruídos.

 O movimento dos elétrons é responsável pela criação e a destruição dos fótons, e que é o caso de muita produção e absorção de luz. Um elétron movendo-se em um forte campo magnético irá gerar fótons apenas de sua aceleração.

 Da mesma forma, quando um fóton de comprimento de onda certo atinge um átomo, ele desaparece e transmite toda a sua energia para chutar o elétron em um novo nível de energia. Um novo fóton é criado e emitido quando o elétron cai para trás em sua posição original. A absorção e emissão são responsáveis para o único espectro de luz em cada tipo de átomo ou molécula. É assim que os químicos, os físicos e os astrônomos identificam substâncias químicas.

7. A luz é um subproduto da aniquilação de matéria e antimatéria.
Um elétron e um pósitron tem a mesma massa, mas propriedades quântica tais como a carga elétrica, opostas. Quando eles se encontram, os opostos se cancelam mutuamente, convertendo as massas das partículas em energia sob a forma de um par de fótons de raios gama.

8. você pode colidir fótons para criar partículas.

 Fótons são suas próprias antipartículas. Mas aqui está a um pouco de diversão: as leis da física que regem os fótons são simétricas no tempo. Isso significa que se nós podemos colidir um elétron e um pósitron para obter dois fótons de raios gama, devemos ser capazes de colidir dois fótons de energia e obter um par de elétron-pósitron.

 Na prática, é difícil de fazer: experiências bem sucedidas geralmente envolvem outras partículas do que apenas a luz. No entanto, dentro do LHC, o grande número de fótons produzidos durante colisões de prótons significa que alguns deles ocasionalmente batem uns nos outros. 
Alguns físicos estão pensando sobre a construção de um Colisor de fóton fóton, que emitiria feixes de fótons em uma cavidade cheia de outros fótons para estudar as partículas que saem de colisões.

 Traduzido e adaptado de Symmetry magazine
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Antimatéria tem alimentado muitos contos sobrenaturais. Ela também é fascinante por si só.

Antimatéria é coisa de ficção científica. No livro e filme Anjos e Demônios, o Professor Langdon tenta salvar o Vaticano de uma bomba de antimatéria. A nave do Star Trek, Enterprise, usa propulsão de aniquilação matéria-antimatéria para viajar mais rápido que a luz.

Mas a antimatéria também é a essência da realidade. Partículas de antimatéria são quase idênticas aos seus homólogos de matéria, exceto que eles carregam a carga e a rotação (spin) opostos. Quando antimatéria se encontra com a matéria, elas imediatamente aniquilam-se em energia.

Enquanto bombas antimatéria e naves espaciais movidas a antimatéria são muito forçados, ainda existem muitos fatos sobre antimatéria que agradarão as células do cérebro.

1. antimatéria deveria ter aniquilado toda a matéria do universo depois do big bang.

De acordo com a teoria do big bang, no começo dos tempos, deveria-se ter criado matéria e antimatéria em quantidades iguais. Quando a matéria e antimatéria se encontram, eles aniquilam, deixando apenas a energia para trás. Então, em princípio, nenhum de nós deveríamos existir.

Mas nós estamos aqui. E,  segundo os físicos, no entanto, havia uma partícula de matéria extra para cada bilhão de pares de matéria-antimatéria. Os físicos estão trabalhando para tentar explicar essa assimetria.


 2. antimatéria está perto de você do que você pensa.

Pequenas quantidades de antimatéria constantemente chovem sobre a Terra na forma de raios cósmicos, partículas energéticas do espaço. Estas partículas de antimatéria atingem nossa atmosfera a uma taxa variando de menos de um metro quadrado para mais de 100 pelo medidor quadrado. Os cientistas têm também provas de produção de antimatéria acima das trovoadas.

Mas outras fontes de antimatéria são ainda mais perto de casa. Por exemplo, as bananas produzem antimatéria, liberando um pósitron — o equivalente a anti-matéria do elétron — a cada 75 minutos. Isso ocorre porque as bananas contêm uma pequena quantidade de potássio-40, um isótopo natural do potássio. Como o potássio-40 se decompõe, ele ocasionalmente cospe um pósitron no processo.

Nossos corpos também contêm potássio-40, que significa que pósitrons estão sendo emitidos a partir de você, também. Anti-matéria aniquila-se imediatamente ao entrar em contato com a matéria, então estas partículas de antimatéria tem uma vida muito curta.


3. Os seres humanos criaram apenas uma pequena quantidade de antimatéria.

Aniquilações de Matéria-antimatéria têm o potencial de liberar uma quantidade enorme de energia. Um grama de antimatéria pode produzir uma explosão do tamanho de uma bomba nuclear. No entanto, os seres humanos têm produzido apenas uma minúscula quantidade de antimatéria.

Todos os antiprótons criados no acelerador de partículas do Fermilab Tevatron somaram apenas 15 nanogramas. Aqueles feitos no montante do CERN somam cerca de 1 nanograma. No DESY, na Alemanha, aproximadamente 2 nanogramas de pósitrons foram produzidas até à data.

Se toda a antimatéria já feita por seres humanos fosse aniquilada ao mesmo tempo, a energia produzida não seria suficiente nem para ferver uma xícara de chá.

O problema reside na eficiência e custo de produção e armazenamento de antimatéria. Para fazer 1 grama de antimatéria seria necessários aproximadamente 25 milhões de bilhões quilowatts-hora de energia e custou mais de um milhão de bilhões de dólares.

 
4. não há tal coisa como uma armadilha de antimatéria.

Para estudar a antimatéria, você precisa impedir que ela se aniquile com a matéria. Os cientistas criaram maneiras de fazer isso.

Partículas de antimatéria carregadas, tais como pósitrons e antiprótons, podem ser capturadas em aparelhos chamados Armadilhas de Penning. Estas são comparáveis a pequenos aceleradores. Dentro, uma espiral de partículas em torno de como campos eletromagnéticos evitam colidir com as paredes da armadilha.

Mas as armadilhas de Penning não funcionarão em partículas neutras como anti-hidrogênio. Porque eles não têm nenhuma carga, estas partículas não podem ser confinadas por campos elétricos. Em vez disso, eles são mantidos em armadilhas Ioffe, que trabalham, criando uma região do espaço onde o campo magnético fica maior em todas as direções. A partícula fica presa na área com o campo magnético mais fraco, muito parecido com uma bola de gude rolando em torno do fundo de uma tigela.

Campo magnético da terra também pode atuar como uma espécie de armadilha de antimatéria. Antiprótons foram encontrados nas zonas ao redor da terra chamado cinturão de radiação de Van Allen.


5. a antimatéria pode cair tudo.

Partículas de matéria e antimatéria têm a mesma massa, mas diferem em propriedades tais como a carga elétrica e rotação. O modelo padrão prevê que a gravidade deve ter o mesmo efeito sobre a matéria e antimatéria; no entanto, isso ainda tem que ser visto. Experiências como Égide, ALPHA e GBAR estão fazendo um duro trabalho de tentar descobrir isso.

O efeito da gravidade observado na antimatéria não é tão fácil como ver uma maçã cair de uma árvore. Estas experiências precisam segurar a antimatéria em uma armadilha ou retardá-la refrigerando-a a temperaturas pouco acima de zero absoluto. E como a gravidade é a mais fraca das forças fundamentais, os físicos devem usar partículas de antimatéria neutras nesses experimentos para impedir a interferência, a mais poderosa força elétrica.

6. a antimatéria é estudada em desaceleradores de partículas.

Você já ouviu falar em aceleradores de partículas, mas sabia que também existem desaceleradores de partículas? O CERN abriga uma máquina chamada Antiproton Decelerator, um anel de armazenamento que pode capturar e frear antiprótons para estudar suas propriedades e comportamento.

Em aceleradores de partículas circulares como o Grande Colisor de Hádrons, partículas aumentar sua energia cada vez que completarem uma rotação. Desaceleradores trabalham em sentido inverso; em vez de um aumentar a energia, partículas sofrem um chute para trás para diminuir suas velocidades.


7. neutrinos podem ser suas próprias antipartículas.

Uma partícula de matéria e sua parceira de antimatéria carregam cargas opostas, tornando-as fáceis de distinguir. Os neutrinos, partículas quase sem massa que raramente interagem com matéria, não tem nenhuma carga. Os cientistas acreditam que eles podem ser partículas de Majorana, uma classe hipotética de partículas que são suas próprias antipartículas.

Projetos como o Demonstrador de Majorana e EXO-200 visam determinar se os neutrinos são partículas de Majorana, olhando para um comportamento chamado Duplo Decaimento Beta Sem Neutrinos.

Alguns núcleos radioativos simultaneamente decaem, lançando dois elétrons e dois neutrinos. Se os neutrinos forem suas próprias antipartículas, eles iriam aniquilar uns aos outros no rescaldo da duplo decaimento, e os cientistas observarão apenas elétrons.

Encontrar os neutrinos Majorana poderia ajudar a explicar por que existe assimetria matéria-antimatéria. Os físicos hipotetizam que os neutrinos de Majorana podem ser leves ou pesados. A luz que existe hoje, e o seu peso, só existiriam logo após o big bang. Esses neutrinos pesados de Majorana teria se decomposto assimetricamente, levando a pequena matéria em excesso que permitiu que nosso universo existisse.


8. a antimatéria é usada na medicina.

O PET (tomografia por emissão de pósitrons) usa pósitrons para produzir imagens de alta resolução do corpo. Isótopos radioativos emissores de pósitrons (como os encontrados em bananas) estão ligados às substâncias químicas como a glicose que são usadas naturalmente pelo corpo. Estes são injetados na corrente sanguínea, onde eles são naturalmente decompostos, liberando pósitrons que atendem os elétrons no corpo e aniquilam-se. As aniquilações produzem raios gama que são usados para construir imagens.

Os cientistas do projeto ACE do CERN estudaram antimatéria como potencial candidato para a terapia do câncer. Os médicos já descobriram que elas podem direcionar os tumores com feixes de partículas que vão liberar sua energia somente após a passagem com segurança com tecido saudável. Usar antiprótons adiciona uma explosão extra de energia. A técnica foi encontrada para ser eficaz em células de hamster, mas pesquisadores ainda têm de realizar estudos em células humanas.


9. a antimatéria que deve ter nos impedido de existir ainda pode estar à espreita no espaço.

Uma maneira que os cientistas estão tentando resolver o problema de assimetria matéria-antimatéria é procurar por antimatéria que sobrou do big bang.

O Espectrômetro magnético Alpha é um detector de partículas que fica em cima da estação espacial internacional para procurar estas partículas. AMS contém campos magnéticos que dobram o caminho das partículas cósmicas para separar a matéria da antimatéria. Seus detectores avaliar e identificam as partículas que passam através dele.

Colisões de raios cósmicos produzem rotineiramente pósitrons e antiprótons, mas a probabilidade de criação de um átomo de antihélio é extremamente baixa por causa da enorme quantidade de energia que seria necessário. Isto significa que a observação do mesmo um núcleo único antihélio seria uma forte evidência para a existência de uma grande quantidade de antimatéria em outro lugar no universo.
 

10. As pessoas realmente estão estudando combustível de espaçonave com antimatéria.

Apenas um punhado de antimatéria pode produzir uma enorme quantidade de energia, tornando-se um combustível popular para veículos futuristas em ficção científica.

Propulsão de foguete de antimatéria é hipoteticamente possível; a limitação principal é reunir suficiente antimatéria para que isso aconteça.

Não há atualmente nenhuma tecnologia disponível para produzir em massa ou coletar antimatéria no volume necessário para esta aplicação. No entanto, um pequeno número de pesquisadores têm realizado estudos de simulação na propulsão e armazenamento. Estes incluem Ronan Keane, Zhang Wei-Ming, que fez o seu trabalho na Western Reserve Academy e a Universidade de Kent, respectivamente, e Marc Weber e seus colegas na Universidade do estado de Washington. Um dia, se descobrirem uma maneira de criar ou coletar grandes quantidades de antimatéria, seus estudos podem ajudar viagens interestelares de propulsão antimatéria se tornar realidade.

Symmetry Magazine
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Mapa interativo liga toda a física conhecida. Créditos: Quanta Magazine
Desde o início da civilização", escreveu Stephen Hawking em seu best-seller internacional Uma Breve História do Tempo, "as pessoas não têm se contentado em testemunhar eventos desconectados e inexplicáveis. Elas têm desejado uma compreensão da ordem subjacente no mundo. "

Na busca de uma descrição coerente, unificada de toda a natureza — uma "teoria do tudo" — os físicos descobriram raízes ligando cada vez mais fenômenos díspares. Com a lei da gravitação Universal, Isaac Newton ligou a queda de uma maçã às órbitas dos planetas. Albert Einstein, em sua teoria da relatividade, teceu o espaço e o tempo em uma única malha e mostrou como as maçãs e planetas caem ao longo de curvas desse tecido. E hoje, todas as conhecidas partículas elementares conectam-se ordenadamente em uma estrutura matemática chamada o modelo padrão. Mas nossas teorias físicas permanecem crivadas com desuniões, buracos e inconsistências. Estas são questões profundas que devem ser respondidas em perseguição a teoria do tudo.

Um novo mapa da fronteira da física fundamental, construído pelo desenvolvedor interativo Emily Fuhrman da Quanta Magazine, faz questionamentos de peso mais ou menos de acordo com a sua importância no avanço do campo. Parecia natural para dar maior peso para a busca de uma teoria da gravidade quântica, que abarcaria a relatividade geral e a mecânica quântica, num quadro único. Em seu trabalho do dia-a-dia, porém, muitos físicos concentram mais no enraizamento da matéria escura, resolvendo o problema da hierarquia do Modelo Padrão, e ponderando os acontecimentos em buracos negros, esses engolidores misteriosos de espaço e tempo. Para cada questão, o mapa apresenta várias soluções propostas. As relações entre estas propostas formam uma rede de idéias.

Alguns dos principais temas dispostos no mapa são:


O mapa fornece descrições concisas de teorias muito complexas; você poderá aprender mais, explorando os links para dezenas de artigos e vídeos, e escolher as idéias que você achar mais elegantes ou promissoras. Finalmente, o mapa é extenso, mas dificilmente exaustivo; Você pode conferir a versão original em inglês aqui.

Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
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Não, você não leu errado. Bananas podem produzir antimatéria, aquela porção exótica do Universo que aniquila-se ao encontrar matéria comum. 

Segundo um artigo Recentemente, Flip Tanedo, um físico do departamento de astronomia da Universidade da Califórnia  estava preparando uma palestra sobre "A Física de Anjos e Demônios" na qual ia falar para um grupo de professores de física do ensino médio que foram visitar Cornell University para em um congresso de Física Contemporânea para Professores. Enquanto pesquisava 'fontes naturais de antimatéria,' ele descobriu um artigo curioso sobre um isótopo de potássio que naturalmente, em algumas fração do tempo, decai via emissão de pósitrons. A conclusão do artigo foi de que:

"A reconstrução média de uma banana (rica em potássio) produz um pósitron aproximadamente uma vez a cada 75 minutos."

Ciente das inúmeras informações distorcidas da internet, ele verificou isso na tabela de isótopos LBDN). O que ele descobriu foi que curiosamente isso parecia estar correto!

O Potássio-40 ( 40K) é um isótopo natural que é instável e decai, mas tem uma enorme meia-vida, cerca de um bilhão de anos. Nos dias de hoje apenas uma pequena fração (100 partes por milhão) de átomos de potássio estão, na verdade, na forma 40K, mas os objetos que são densos em potássio - como bananas - são susceptíveis a terem dezenas de microgramas do material. Sintetizando mais os números (como fizeram no artigo original), verificou-se que as bananas produzem um pósitron a cada 75 minutos mais ou menos.

Estes pósitrons aniquilam-se rapidamente com os elétrons do ambiente, talvez passando por algumas outras interações e liberando alguns fótons de antemão (leitores avançados poderão ler a "passagem de partículas através da matéria "seção da PDG).

O potássio desempenha um papel necessário em nossa biologia, mesmo podendo produzir positrons de vez em quando.
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O universo, apesar de magnífico e fascinante, ele ainda é um lugar de coisas estranhas e ainda desconhecidas.
Aqui está uma visão de algumas das coisas mais estranhas no cosmos:

 10 - Antimatéria

Como alter-ego do vilão do Superman, Bizzaro , as partículas que compõem a matéria normal também têm versões opostas de si mesmas. Um elétron, por exemplo, tem uma carga negativa, mas o seu equivalente em antimatéria, o pósitron, é positivo. Matéria e antimatéria aniquilam-se mutuamente quando elas colidem e sua massa é convertida em energia pura pela equação de Einstein E=mc². Alguns desenhos de naves espaciais futuristas incorporarm motores de anti-matéria.

09- Mini buracos negros


Se a nova teoria radical da gravidade (branas) estiver correta, então existem milhares de pequenos buracos negros espalhados por todo os sistema solar, cada um do tamanho de um núcleo atômico. Ao contrário de seus irmãos maiores, esses mini-buracos negros são sobras primordiais do Big Bang e afetam o espaço- tempo de forma diferente por causa de sua estreita associação com uma quinta dimensão .

08- Radiação Cósmica de Fundo


Também conhecida como a CMB, essa radiação é uma sobra primordial do Big Bang que deu origem ao Universo. Foi detectada pela primeira vez na década de 1960 como um ruído de rádio que parecia emanar de todos os lugares no espaço. A CMB é considerada como uma das melhores peças de evidência para o teórico Big Bang. Medições precisas do projeto WMAP aponta que a temperatura CMB é de -455 graus Fahrenheit (-270 Celsius).

07 - Matéria Escura


Os cientistas dizem que a maior parte da matéria no universo é composta de matéria escura, mas ela não pode ser vista nem detectada diretamente usando as tecnologias atuais. Os candidatos variam de neutrinos leves para os buracos negros invisíveis. Alguns cientistas questionam se a matéria escura é mesmo real, e sugerem que os mistérios que foram conjurados para resolver podem ser explicado por um melhor entendimento da gravidade.

06 - Exoplanetas


Até o início de 1990, os planetas conhecidos no universo se resumiam apenas aos familiares planetas de nosso Sistema Solar. Até o momento, os astrônomos já identificaram mais de 1000 planetas extra-solares. Eles variam de gigantescos mundos gasosos cuja massa não é suficiente para se tornar uma estrela pequena, até planetas rochosos que orbitam anãs vermelhas. A procura por uma segunda Terra, no entanto, ainda está em curso. Os astrônomos em geral acreditam que as futuras tecnologia irão revelar mundos semelhantes ao nosso.

05 - Ondas Gravitacionais


Ondas de gravidade são distorções no tecido do espaço-tempo previstas pela teoria  da relatividade geral de Eistein. As ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz, mas elas são tão fracas que os cientistas esperam detectar apenas aquelas criadas durante eventos cósmicos colossais, tais como fusões de buracos negros como esse mostrado acima. LIGO e LISA são dois detectores projetados para detectar as ondas indescritíveis.

04 - Canibalismo galáctico


Assim como os seres vivos na terra, as galáxias podem "comer"umas as outras e evoluir ao longo do tempo. A vizinha da Via Láctea, Andrômeda, atualmente está jantando um dos seus satélites. Mais de uma dúzia de aglomerados estelares que estão espalhados por toda a Andrômeda são restos cósmicos das  suas últimas refeições. A imagem acima é de uma simulação de colisão entre Andrômeda e nossa galáxia, um evento que acontecerá em cerca de 3 bilhões de anos.

 03 - Neutrinos


Neutrinos são partículas elementares eletricamente neutras e praticamente sem massa, que podem passar por milhas de chumbo sem nenhum impedimento. Alguns estão passando pelo seu corpo enquanto você lê isto. Estas partículas "fantasmas" são produzidas no fogo abrasador de estrelas normais, bem como em explosões de supernovas de estrelas moribundas. Detectores foram construídos no subterrâneo, debaixo do mar, ou em um grande pedaço de gelo, como o IceCube, um projeto de detecção de neutrinos.




Esses faróis luminosos brilham nas bordas do universo visível e são lembretes da infância caótica do nosso universo. Quasares liberam energia mais do que centenas de galáxias combinadas. O consenso geral é que eles são produtos de  buracos negros supermassivos nos corações de galáxias distantes. Esta imagem acima é do quasar 3C 273, fotografado em 1979.

01 - Energia do vácuo

A física quântica nos diz que, contrariamente às aparências, o espaço vazio é uma cerveja borbulhante de partículas "virtuais" subatômicas que estão constantemente sendo criadas e destruídas. As partículas fugazes dotam cada centímetro cúbico do espaço com uma certa energia que, de acordo com a relatividade geral, produz uma força anti-gravitacional que empurra o espaço distante. Mas hoje os cientistas já sabem o que está causando a expansão acelerada do Universo: A energia escura.

[Space]

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Em algum lugar no tempo, as partículas de matéria dominaram a antimatéria em quantidade. Créditos: Felipe Sérvulo
A Teoria do Big Bang indica que, nos primórdios da história do nosso universo, toda a matéria e energia do universo conhecido (e possivelmente para além dele) foi compactado juntos em um espaço microscópico, um átomo primordial. Com alguns ajustes de modificações como a teoria da inflação, a Teoria do Big Bang explica como o universo se expandiu a partir deste ponto em sua forma atual.

Mas há um mistério dentro desse átomo primordial que a própria teoria não pode explicar. Porque, por algum motivo, este átomo primordial era composto de mais matéria do que antimatéria? Se houvesse quantidades iguais de matéria e antimatéria condensados juntos nesse universo primordial, ele teria se aniquilado, e nós seriamos composto por um universo de energia, em vez de um universo de matéria. É por conta dessa IMPERFEIÇÃO que hoje somos feitos de matéria bariônica. Isso teve que ocorrer para que tudo seja feito do jeito que é no cosmos.

A explicação mais simples para onde o átomo primordial surgiu é que ele apareceu como uma espécie de flutuação quântica aleatória, um pedaço de energia do vácuo ou partículas virtuais, que se desenvolveu em um universo próprio. Mas se fosse energia espontânea de formação do vácuo, então seria de esperar quantidades aproximadamente iguais de matéria e antimatéria nessa situação... e, mais uma vez, a aniquilação ocorreria e faria um universo muito plano. 


Sob a teoria da inflação, o espaço é tão imensamente grande que uma opção apresenta-se logicamente: de que vivemos em uma região de matéria-dominante do universo, e há, talvez, outras partes dominantes antimatéria do universo que estão tão longe de nós que não podem ser observadas. Se o universo é de fato virtualmente infinito de tamanho, e contém um multiverso de universos alternativos, alguns desses universos distantes consistiriam-se da substância que chamamos de antimatéria. (Nessas regiões, é claro, este material seria considerado matéria comum, e seria nossa forma de matéria, que é a antimatéria!).

O problema com essa explicação é que ele mantém a resposta para sempre escondida da vista, e os físicos gostam de procurar respostas nas quais podem encontrar evidências em laboratório. Explicações que propõem a criação da porção maior de matéria do que antimatéria foi realmente criado dentro da queda universo primitivo sob a chamada era "bariogênese".

Uma possível explicação da bariogênese, publicada em fevereiro 2015 na revista Physics Review Letters , sugere que ela poderia ser o campo de Higgs, que é responsável. Essa explicação requer uma partícula chamada Fermion de Marojana - especificamente, um neutrino de Majorana. No modelo sugerido, as partículas universo primitivo teria transformado em neutrinos Majorana (permitidos pelas leis da física quântica), mas se o campo de Higgs resultou em neutrinos ordinários, sendo mais leves que o antineutrino, então quando eles deterioraram, voltaram a ser férmions comuns, que teriam sido muito mais propensos a "escolher" a forma mais leve da partícula. Esta explicação tem a vantagem de ser algo que pode ser detectável dentro das propriedades do campo de Higgs, uma vez que é explorado em maior detalhe no Grande Colisor de Hádrons. 

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