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Uma diminuta quantidade
de antimatéria é roubada do Centro
Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN).
Objetivo: usá-la para destruir o Vaticano.
Esse é o mote de Anjos e Demônios,
do escritor norte-americano Dan Brown,
também autor do sucesso Código
Da Vinci. O livro – transformado
recentemente em fi lme – é apenas
uma das repercussões artísticas
de uma grande descoberta da física:
a existência da antimatéria,
tema ainda hoje intensamente
debatido na comunidade científi ca.
Cerca de oito décadas depois
da detecção da primeira antipartícula,
os físicos ainda se perguntam:
por que o universo observado
atualmente tem somente matéria?
Por que a antimatéria desapareceu?
ignacio Bediaga Coordenação de Física experimental de Altas Energias (Lafex) Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (RJ)
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No início do universo, matéria e antimatéria foram criadas na mesma proporção. Basicamen
te, para cada partícula havia sua antipartícula correspondente, ou
seja, para cada elétron foi criado um pósitron; para cada quark , um
antiquark e assim por diante. Esse cenário dominou o universo logo
depois da ‘explosão’ primordial, comumente denominada Big Bang.
Quando uma partícula encontra sua antipartícula correspondente (um
elétron interage com um pósitron, por exemplo), as duas se aniquilam,
transformandose em energia. Esta, por sua vez, se transforma, de novo,
em um par de matéria e antimatéria. Essa ideia, baseada nas atuais teo
rias das partículas elementares (reunidas no chamado modelo padrão),
nos permite criar uma imagem dinâmica daquele cenário inicial: um
imenso movimento frenético de criação e aniquilação, envolvendo bilhões
de bilhões de pares de partícula e antipartícula. Tudo isso a temperatu
ras altíssimas, expressa por números com cerca de 30 zeros.
Depois de passar por um período de expansão muito rápida, o uni
verso esfriou com mais intensidade, e o processo de criação de matéria
e antimatéria ficou dificultado. A aniquilação passa a dominar comple
tamente o cenário: a energia (luz) criada nesse momento paira até hoje
no universo. Denominada radiação cósmica de fundo, ela pode ser en
tendida como um ‘eco’ daquele cenário inicial.
Décimos de milésimos de segundo depois do Big Bang , parte das
partículas, os quarks , passa a se combinar, formando os bárions (com
postos por três quarks , como os prótons e os nêutrons) e os mésons (um
par quarkantiquark ). Formaramse também os antibárions, como anti
prótons e antinêutrons. Léptons e antiléptons (elétron, múon, tau, neu
trino e suas respectivas antipartículas) ainda seguem se movimentando
livremente (figura 1). Matéria e antimatéria continuam se aniquilando
furiosamente. Átomos – e antiátomos – têm ainda dificuldade em se
formar, em função do alto estado de agitação de seus componentes
básicos (elétrons e quarks ; pósitrons e antiquarks ).
A ANTIMATÉRIA
e o
UNIVERSO
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reuterS/reuterS/latiNStocK Artefato em que a antimatéria (ponto luminoso) é armazenada no filme Anjos e Demônios
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realmente revolucionário terá que aparecer nas próximas experiências e no desenvolvimento das próximas teorias para dar conta desse mistério. Na realidade, temos que fazer uma importante ressalva: no início, antes que houvesse o rápido processo de resfriamento do universo, o número de partículas de matéria e de antimatéria era imen samente superior ao existente hoje. Ou seja, nosso universo atual tem massa infinitamente inferior aquela do universo primordial. O testemunho disso é a igualmente imensa quantidade de fótons observados atualmente no espaço, produzidos, como dissemos, por meio da aniquilação entre partículas e suas antipartículas. Depois da criação desses fótons, o universo continuou se expandindo, o que perdura até hoje. Por um lado, essa expansão foi reduzindo a tem peratura do universo; por outro, fez com que esses fótons ficassem igualmente distribuídos no espaço e dotados de energias muito parecidas. Essas con sequências do modelo de criação do universo se confirmaram experimentalmente de forma espeta cular: observou se que a radiação cósmica de fundo tem energia praticamente homogênea que, traduzida em temperatura, corresponde a uma variação extremamente pequena, entre 2, kelvin e 2,7252 kelvin (zero kelvin corresponde a 273 graus celsius negativos). Experimentos de grande precisão estimaram também que, para cada partícula de matéria no universo de hoje (ou seja, para cada próton, nêutron ou elétron existentes), temos o impressionante
valor de 20 bilhões de fótons. É justamente essa razão que nos permite pensar que o universo já teve uma massa imensamente maior que a atual.
CondiçõEs
dE sakharov Para tentar explicar essa pequena ‘sobra’ de maté ria após a grande aniquilação, o físico russo Andrei Sakharov (1921 1989), prêmio Nobel da Paz de 1975, por seu papel como dissidente pacifista e defensor dos direitos humanos na antiga União Soviética, propôs duas condições necessárias para que houvesse a sobrevivência da matéria: i) o próton e o antipróton teriam que se desin tegrar, ou seja, se transformarem em outras partículas; ii) essa desintegração teria que ocorrer com mais frequência para as antipartículas que para as partículas, ou seja, deve haver uma assimetria entre matéria e antimatéria. No artigo original, Sakharov chama a atenção para o seguinte: o fato de nenhuma das duas condições terem até então sido observadas experi mentalmente (o artigo foi publicado em 1967) poderia ser consequência de que elas só ocorrem em uma transição de fase – fenômeno semelhante àqueles sofridos pela água ao mudar de fase. Sabe se hoje que o universo primordial sofreu forte transição de fase.
Figura 2. História do universo, da origem aos dias de hoje
Particle Data
grou
P,^ l BN l^ (2000) / D
oe aND
NSF
violação dE CP
a observação da assimetria entre o modo como a matéria e a antimatéria decaem criou grande desconforto no mundo dos físicos de partículas, devido a um impor- tante teorema conhecido como cPt, no qual c representa a conjugação de carga; P, a chamada conservação de paridade; e t, a reversibilidade temporal. Posto de modo simples, o c significa uma operação que transforma a partícula em sua antipartícu- la ou vice-versa. exemplo: um elétron se transformando em um pósitron. a reversi- bilidade temporal pode ser entendida como a impossibilidade de dizer qual a ordem dos acontecimentos. exemplo: filme uma bola de bilhar ricocheteando contra a late- ral de uma mesa de bilhar e passe o filme ao contrário. Ninguém seria capaz de dizer
se o filme está ao contrário ou não. Por fim, a paridade tem a ver com a imagem dos eventos refletida em um espelho. o teorema cPt é um tipo de Santo graal da física, algo como a conservação de energia. No caso, essa tríade de gran- dezas deve, em conjunto, ser conservada. Se, por exemplo, ocorrer violação na con- servação de carga e de paridade, ela de ve ser ‘compensada’ por uma violação da reversibilidade temporal na propor- ção inversa. isso fará com que c, P e t se conservem, e o teorema seja válido. em 1964, foram publicados resultados de um experimento com mésons K (ou káons), que contêm um quark do tipo strange. Nessa experiência, mostrou-se haver violação de cP e, consequentemen- te, de t. em termos práticos, a violação da reversibilidade temporal significa que o processo de desintegração dos káons não
poderia seguir o caminho inverso, ou seja, não poderia ser reconstruído a partir dos fragmentos gerados em sua desintegração. em resumo: o processo era irreversível. esses resultados com os káons podem parecer pouco importantes em nosso dia a dia, em que estamos acostumados a processos irreversíveis (por exemplo, uma xícara que se despedaça no chão não volta à forma original). Mas, no mundo da física envolvendo poucos corpos elementa- res, essa era a primeira vez que isso ocorria
- nem a mecânica clássica, nem o eletro- magnetismo e nem mesmo a mecânica quântica tinham apresentado até então violação da reversibilidade temporal. essa situação causou enorme agitação no meio científico. Por quase 10 anos, centenas de trabalhos foram feitos sem sucesso para tentar entender essa singu- laridade no conhecimento. em uma solução
Em busCa dE rEsPostas A assimetria matériaantimatéria observada até hoje nos experimentos continua insuficiente para explicar a ausência de antimatéria no universo. Estimativas indicam que essa assimetria teria que ser pelo me nos um bilhão de vezes maior. Experiências que começam agora no acelerador LHC (figura 3), do CERN, pretendem buscar novas fontes
Figura 3. Visão esquemática do LHC, com os quatro detectores principais
Figura 4. O detector LHCb, principal responsável pelo estudo da assimetria entre matéria e antimatéria nos experimentos do LHC^ cer
N
A primeira condição, embora procurada em um grande número de experimentos, não foi detectada até este momento. Mas, naquela época, a segunda condição já havia sido observada (ainda que em pequena quantidade) em experiências feitas em aceleradores. Mas, no artigo, Sakharov não faz menção ao fato (provavelmente, devido ao isola mento científico em que vivia). Embora necessária para explicar a assimetria matéria antimatéria no universo, a observação dessa assimetria na desintegração da matéria e antimatéria, em 1964, foi enorme surpresa para a comunidade científica (ver ‘Violação de CP’).
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