O grande mistério da antimatéria

Além da matéria escura, energia escura, buracos negros, e os bárions desaparecidos do universo, um dos mistérios mais cativantes da cosmologia é a antimatéria. Particularmente, o mistério centra-se na luta metafórica entre matéria e antimatéria, que foram ambas criadas em proporções iguais durante a criação do universo cerca de 14 bilhões de anos atrás.

 

Antimatéria, resumidamente, é o inverso da matéria. Enquanto a matéria é formada por partículas, a antimatéria é formada, bem… por antipartículas! Elas possuem as mesmas características das partículas (massa e rotação), porém tem carga elétrica contrária.

Quando matéria e antimatéria entram em contato, elas se aniquilam mutuamente em uma explosão energética. Teoricamente, ambas foram criadas em quantidades iguais durante o Big Bang, e é aí que reside o mistério: porque a matéria prevaleceu sobre a antimatéria?

É tanto uma questão filosófica como uma questão de física geral. Se a antimatéria não tivesse desaparecido, nada no nosso universo físico (inclusive nós) existiria. As aniquilações mútuas que teriam acontecido deixariam para trás um universo brilhante, mas inexpressivo. Assim, para o que exatamente devemos a presença prolongada de matéria normal?

Bem… a resposta a essa pergunta é difícil, pois as condições que existiram durante milhões de anos após o Big Bang são difíceis de especular, e muito mais de avaliar completamente. A maior parte da evidência que temos para dissecar esse mistério está na forma da radiação cósmica de fundo (CMB), que é um fóssil do início do universo. Depois, há também neutrinos, partículas fantasmagóricas criadas através de decaimentos radioativos. A criação de antimatéria em laboratório e o estudo de suas propriedades certamente irá desmascarar algumas das perguntas que temos sobre o inimigo notório da matéria normal.

Ao tentar localizar uma resposta às nossas questões remanescentes, os cientistas primeiro tiveram que calcular uma porcentagem aproximada da matéria normal que ganhou de sua anti-homóloga, com apenas uma partícula extra de matéria normal sobrevivendo por cada 30 milhões de partículas de anti-matéria. Isso traz à tona um debate interessante. É possível que o universo tenha nascido com esse desequilíbrio para permitir que essa flutuação ocorra? É improvável; portanto, o físico russo Andrei Sakharov levou a questão de volta para a prancheta em 1967.

Para que haja mais matéria do que antimatéria, ele postulou que são necessárias 3 condições. Primeiro, ele argumentou que nenhuma lei de conservação pode proibir reações que impactariam de forma eficaz o delicado equilíbrio entre as partículas e antipartículas. Para que isso seja viável remotamente, ele teorizou que as leis da física podem variar um pouco para a matéria e anti-matéria.

Curiosamente, esta era uma reivindicação muito ousada, uma vez que nenhuma reação tinha sido realizada experimentalmente… isto é, até que as partículas chamadas “kaons de longa duração” entraram em cena. No laboratório, foi revelado que a força fraca de fato não age igualmente entre quarks e os seus homólogos, anti-quarks. Como a maioria de nós sabemos, a interação fraca é uma das quatro forças fundamentais da natureza postas adiante no modelo padrão da física de partículas. Esta é a principal responsável pela desintegração radioativa de partículas subatômicas como férmions, cujo spin é um semi-inteiro.

Por fim, muito cedo na vida do universo, várias reações diferentes entre as partículas e antipartículas começaram ocorrendo a taxas muito diferentes entre a radiação e o plasma primordial quente. Isso só seria possível se eles não estivessem em equilíbrio térmico. Se fossem, o estado altamente desequilibrado do universo não persistiria e ambas as partes iguais de matéria e antimatéria permaneceriam, destruindo-se mutuamente.

Quase 50 anos depois, grande parte das condições de Sakharov ainda são relevantes, já que os modelos padrão da cosmologia e física de partículas (junto com as simulações feitas usando aceleradores de partículas) têm nos ajudado a compreender as condições do universo logo após o Big Bang, sugerindo que nos primeiros 10-12 segundos de existência do universo, as interações de partículas eram muito diferentes das que vemos hoje. Particularmente, elas eram muito mais ativas, pois a maioria permanecia sem massa. Até que o universo começou a expandir-se rapidamente e, gradualmente, esfriou, permitiu que partículas ganhassem massa, uma vez que interagiam com o campo de Higgs e mudavam para um estado de menor energia mais favorável.

Os aceleradores de partículas como o LHC e o Fermilad aceleram prótons e antiprótons a velocidades próximas à velocidade da luz antes de colidir violentamente umas nas outras. Isso indicou que a matéria é mais prevalente do que antimatéria apenas cerca de 1% do tempo dos testes, o que é um número pequeno, mas ainda significativo e pode explicar o domínio da matéria normal em todo o universo. 

Fonte: [FromQuarksToQuasars]