Antimatéria aprisionada: físicos mantêm um pósitron isolado por meses em armadilha a vácuo

A antimatéria aprisionada por físicos da Northwestern University, nos Estados Unidos, ficou isolada em uma armadilha a vácuo por meses. Segundo os pesquisadores, o avanço abre caminho para testes mais rigorosos da física de partículas.

Segundo a teoria, o Universo não deveria existir do jeito que conhecemos. Toda partícula tem uma contraparte de antimatéria e, quando as duas se encontram, se aniquilam em uma pequena explosão de energia. Pelas previsões, o nascimento do Universo deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria, o que torna a predominância da matéria um mistério ainda sem solução.

O pósitron é a antimatéria do elétron, idêntico a ele exceto pela carga positiva. Ele surge naturalmente em explosões cósmicas, em interações de alta energia e em decaimentos radioativos, quando um núcleo instável libera essa partícula. Mas o Universo não facilita a vida dela: basta encontrar um único elétron para desaparecer, e elétrons estão em toda parte.

Estudar um pósitron por mais tempo exige isolá-lo de qualquer outra matéria. Armadilhas eletromagnéticas conseguem manter uma partícula suspensa no vácuo, sem que ela toque outras partículas. O problema estava em frear o pósitron que sai de um decaimento radioativo com energia altíssima. Gabrielse explicou que a maioria deles não é desacelerada nem capturada e acaba se aniquilando com elétrons do próprio aparelho.

A equipe usou como fonte um isótopo radioativo de sódio, que emite pósitrons com energia de até cerca de 546 quiloelétron-volts, algo em torno de 88% da velocidade da luz. Para frear essas partículas, os pesquisadores as fizeram atravessar um cristal único de tungstênio. Ao interagir com os elétrons do material, o pósitron perde energia. Poucos sobrevivem e saem da superfície do cristal bem mais lentos, formando o pósitrônio, um par fracamente ligado a um elétron.

Um orifício de 640 micrômetros permite a entrada do pósitrônio na armadilha, chamada de Penning, onde um campo elétrico retira o elétron e deixa o pósitron preso. Essa armadilha combina campos elétricos e magnéticos para confinar a partícula sem que ela toque as paredes. O conjunto é resfriado a 300 milikelvins, uma fração de grau acima do zero absoluto, e mantido em vácuo muito intenso.

Depois de capturar o pósitron, a equipe afastou a fonte radioativa para impedir a entrada de outras partículas. Gabrielse descreveu o momento: “Ligamos o detector e esperamos”. Quando o sinal elétrico da partícula aparece, o experimento segue com a partícula isolada.

Dentro do forte campo magnético, o pósitron descreve pequenos círculos, movimento chamado de ciclotrônico. Ao resfriá-lo ao estado quântico de menor energia, os cientistas usaram micro-ondas calibradas para fazê-lo saltar entre níveis de energia, um quantum por vez. Eles também conseguiram detectar essas mudanças e as inversões de spin sem perturbar o estado que estavam medindo.

Um dos principais motivos para medir pósitrons é a simetria CPT, princípio segundo o qual as transformações de carga, paridade e inversão temporal, aplicadas juntas, deixam as leis da física inalteradas. Uma consequência é que partículas e antipartículas deveriam ter propriedades idênticas em magnitude, como o momento magnético, que se comporta como um pequeno ímã. O elétron já teve esse momento medido com grande precisão, e agora a equipe quer fazer o mesmo com o pósitron.

“Se as magnitudes forem iguais, será a confirmação mais precisa da invariância CPT do Modelo Padrão, a descrição matemática mais fundamental da realidade física”, afirmou Gabrielse. A medição ainda está em andamento, e a expectativa é divulgar um resultado no início do próximo ano, embora o trabalho possa levar mais tempo.

Se os resultados confirmarem a teoria, os físicos terão de encarar outra pergunta: como o Modelo Padrão faz previsões tão precisas e, ao mesmo tempo, é incompatível com características básicas do Universo. O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.