Dirac: do Outro Lado (“proibido”) da Matéria

“Atrás das formas específicas…visíveis da matéria – servindo de padrões                        invisíveis, deve haver formas fantasmagóricas que justifiquem a vida em                              constante movimento… – sempre respondendo a seus próprios ‘instintos’                            profundos de crescimento.” [Platão (427-347 ac) – “O Mito da Caverna”]

A Relatividade, teoria pela qual Albert Einstein ensinou que matéria e energia são intercambiáveis…(E=mc²)… já      a algum tempo havia sido divulgada quando em 1928, o físico britânico Paul Dirac formulou sua “Teoria sobre o movimento dos elétrons em Campos eletromagnéticos”, à   luz da “relativística quântica”. – Seu objetivo, sem dúvida ambicioso era tentar descobrir, somente por experiências teóricas, algum “denominador comum”…a essas 2 teorias fundamentais. As equações de Dirac descreveram bem, em especial, muitos atributos de movimento dos elétrons, que outras equações não podiam descrever. Dirac porém,  viu que suas equações não só exibiam a atuação esperada dos elétrons…como soluções estranhas às regras da física.

Dirac…enfim, percebeu o ‘nó da questão‘…sua teoria também conduzia à uma previsão surpreendente…as partículas com as quais estava trabalhando não eram elétrons normais: sua massa era exatamente a de um elétron comum…porém, sua carga elétrica era positiva, em vez de negativa — Parecia, em suma, a imagem de um elétron “refletida” no espelho.

Dessa forma, o elétron teria uma “antipartícula” – com a mesma massa, mas com carga elétrica positiva (o oposto da carga elétrica de um elétron).

A equação de Dirac previa também…que todas partículas fundamentais existentes na Natureza teriam a sua ‘antipartícula‘ equivalente, e desde então têm sido observados vários destes pares. Em todos eles… as massas da partícula…e de sua correspondente antipartícula são idênticas, não existindo diferença substancial entre ambas; mas em  todos casos os sinais matemáticos de uma das propriedades é invertido. Antiprótons,     por exemplo…têm a mesma massa dos prótons – mas…carga elétrica oposta. Mesmo partículas sem carga elétrica…como neutrons, têm a sua própria antipartícula, sendo     que estas, por sinal, possuem outra propriedade…momento magnético, com sinal invertido. E assim… pósitrons, antiprótons, antineutrons… formam a ‘antimatéria‘.

O ‘Mar de Dirac’                                                                                                                          Ao tentar conciliar ‘Mecânica Quântica’ com ‘Relatividade Geral’ (e…suas simetrias entre espaço e tempo), Dirac descobre uma relação entre matéria e espaço, vinda das simetrias matemáticas sob as quais sua equação se mantém invariante. (Bassalo & Caruso: ‘Dirac’)

A equação básica da mecânica quântica, a  equação de Schrödinger, é uma equação           não relativística… – onde a ‘energia total de uma partícula é dada pela relação:

conservação clássica da energia

onde o 1º termo corresponde à…energia cinética;                                  e o 2º termo V é a energia potencial da partícula.

Alguns anos depois de Schrödinger apresentar sua equação do estado quântico…Dirac desenvolveu sua equivalente equação relativística…a fim de descrever o movimento de um elétron… Partindo de que a energia relativística de uma partícula…na ausência de potenciais externos…é dada por:energia relativística

a equação de Dirac seria:energia totalNote que, embora normalmente nos cálculos relativísticos, a solução com energia negativa seja desprezada, Dirac observou que não havia razão para ignorar esta solução… – Assim…previu a existência de elétrons com energia negativa.

Como o menor valor para o momento p de uma partícula é zero, a equação acima diz que só pode haver elétrons com energia > mo.c², ou <= – mo.c², como mostra a Figura 1:

figura 1

figura 1: Diagrama mostrando as faixas de energia permitidas para os elétrons e a criação de um par elétron-pósitron… (questão proposta…zona proibida = campo de Higgs!?…)

Porém… de acordo com o “modelo de Bohr” – um elétron comum, com energia positiva, tendo disponível um estado possível de energia mais baixa (energia negativa), migraria para aquele estado, emitindo a diferença de energias na forma de 1 fóton… Assim, todos elétrons disponíveis iriam para esses tais ‘estados negativos’, e o nosso mundo não seria possível. Dirac então postulou, que…A natureza é de tal forma, que todos os estados de energia negativa estão ocupados… Deste modo, não há como elétrons, em nosso mundo material, assumirem estados de “energia negativa“…Esse “mar contínuo” de partículas com energia negativa (massa negativa), conhecido como “mar de Dirac”…portanto, não interage com o nosso ‘mundo usual‘…não podendo ser observacionalmente detectado.”

Dirac previu ainda… a ocorrência de um fenômeno bastante interessante.                        Um fóton de alta energia (raios gama), tendo energia maior que a abertura                        entre as 2 faixas de energias permitidas para os elétrons   Sem título

poderia ceder toda sua energia para um elétron de energia negativa (como no efeito fotoelétrico), de modo que agora este elétron, vencendo a barreira inercial da ‘zona proibida‘, teria energia positiva – e seria observado como um “elétron normal em     nosso mundo. – Já no ‘mar de elétrons’ com energia negativa, sobraria um buraco.

criação par (ou 'borboleta caótica')

Pode-se mostrar que nesse “mar de elétrons negativos”…um “buraco” se comporta como uma partícula de massa positiva (igual à do elétron) mas, com carga oposta à dele. Este buraco é então observado em nosso mundo, como um “anti-elétron”… — denominado “pósitron. – O fenômeno é visto (ao lado) como criação do par partícula/antipartícula, pela interação de um… fóton… de altíssima energia (>1,02 MeV) com o ‘núcleo atômico‘.

Este fenômeno…sugestivamente – pode ser também conhecido por borboleta caótica.

Como após a colisão, desaparecem  elétron e pósitron,                               teremos…dessa forma… uma “aniquilação do par“.

Inspirado na ‘teoria da valência química’ Dirac imaginou o ‘vácuo … como o ‘estado’ com todos níveis de energia negativa ocupados por elétrons (mar de elétrons). Ele teria uma estrutura complexa, com energia total negativa e infinita. O preenchimento destes estados de energia negativa se daria de modo análogo a como se preenchem camadas fechadas dos átomos. Assim, segundo o ‘princípio da exclusão’ de Pauli o pósitron nunca sofreria uma transição para estados de energia negativa (todos já ocupados).  Sendo então excitado para um estado de energia positiva… – deixaria no vácuo (mar de elétrons de energia negativa) um ‘buraco’… Cada buraco é interpretado por Dirac como uma partícula de carga elétrica positiva e energia positiva (criação do par de partículas). Por simetria, Dirac…auxiliado por Weyl, considera que este “buraco” deve ter a mesma massa do elétron – embora…com carga elétrica positiva… – E, Dirac ainda conclui que:

“Se não podemos excluir os estados de energia negativa, devemos encontrar um método  de interpretação física para eles… – Pode-se assim, chegar a uma interpretação razoável adotando uma nova concepção de… ‘vácuo’… – Anteriormente, as pessoas pensavam no vácuo…como uma região do espaço totalmente vazia — sem conter absolutamente nada. Agora devemos dizer que o vácuo é a região do espaço com a menor energia possível”.

O pósitron, para Dirac, não passa de uma ausência, um ‘buraco‘ no mar de elétrons de energia negativa. A previsão de sua existência – feita por ele próprio, e sua quase que imediata descoberta por Anderson tiveram um impacto extraordinário na Física Teórica      e Experimental do século 20… De fato, podemos afirmar que a existência do ‘pósitron‘:

1) revolucionou o conceito de vácuo, que ainda permanecia praticamente intacto, desde      o “atomismo” filosófico grego sendo, portanto, uma das maiores contribuições para a compreensão do que é…”matéria“… — a partir do momento em que Dirac contrapõe o inesperado conceito de “antimatéria” como algo intrinsecamente relacionado ao vácuo;
2) provocou uma revisão do próprio conceito fundamental de ‘partícula elementar’;
3) consolidou uma nova concepção, acerca da natureza quântico-relativística do ‘spin‘;
4) permitiu surgir uma Teoria Quântica de Campo, descrevendo relações luz/matéria;
5) contribuiu para que o estudo das “simetrias do espaçotempo”…e das ditas ‘simetrias internas’… passasse a desempenhar ‘papel central’ no desenvolvimento da Física atual;
6) ampliou horizontes, na busca experimental de novos elementos últimos da matéria;
7) abriu novo capítulo na “Eletrônica dos Semicondutores”. (‘Dirac’: Bassalo & Caruso)  ********************************************************************************

            Comprovação Experimental

A validade dessas suposições de Dirac foi confirmada experimentalmente alguns anos mais tarde…  quando em 1932, Carl Anderson (1905-1991) descobriu o ‘pósitron’…  —  em traços deixados por essas partículas em fotografias tiradas com câmaras de Wilson (câmara de bolhas) – Fig. 2.

figura 2: Fotografia estereoscópica de câmara de bolhas, mostrando a criação de um par elétron-pósitron. Na câmara, há um campo magnético perpendicular ao plano da fotografia. Elétron e pósitron fazem portanto trajetórias espiraladas em direções opostas.

figura 2: Fotografia estereoscópica de câmara de bolhas, mostrando a criação de um par elétron-pósitron. Na câmara, há um campo magnético perpendicular ao plano da fotografia. Elétron e pósitron fazem portanto trajetórias espiraladas em direções opostas.

Nessa câmara… há um ‘campo magnético’ aplicado na direção perpendicular ao plano da fotografia, de modo que o pósitron e o elétron, tendo cargas opostas, fazem o movimento espiralado em direções opostas. – As espirais possuem raios decrescentes devido à perda de velocidade das partículas, em colisões com outros elétrons no material. Pode-se assim verificar que…em analogia ao “efeito fotoelétrico”a interação de uma absorção do fóton  por um elétron com ‘energia negativa’… – também não permite a conservação domomento linear‘. Deste modo, a “criação de pares” só pode ocorrer nas proximidades de uma partícula pesada como o núcleo atômico (ou um ‘BN‘, no caso da Radiação de Hawking) que assim recebe a parte restante do momento inicial da radiação…(fóton).

É importante notar que no mesmo ano que Anderson publicou suas observações          (1933), 2 outros artigos foram também publicados…confirmando suas observações,              e…a origem dessas partículas. — Esses artigos tinham a participação de Giuseppe Occhialini – físico italiano, que logo depois viria à São Paulo … a convite de Gleb Wataghin, dar início ao “Departamento de Física“…da recém fundada “USP“.  *****************************************************************************

Um átomo chamado ‘positrônio’                       

Em semicondutores, com os quais se produzem os elementos básicos dos componentes eletrônicos atuais, os elétrons normalmente estão ocupando ‘estados eletrônicos ligados à chamada ‘banda de valência‘. Estes elétrons assim, não têm mobilidade – não podendo portanto, conduzir eletricidade. À ‘temperatura zero’, todos esses estados … normalmente, estão ocupados por elétrons, e o material se comporta como um “isolante”. Entretanto… à medida que a temperatura aumenta … alguns desses elétrons ganham ‘energia térmica‘ suficiente para ocupar outra faixa de energias maioreschamada ‘banda de condução‘.

Entre as faixas de ‘valência’ e ‘condução’…há uma região (inercial) de energias em que nenhum estado é possível, numa situação muito similar à do processo de “criação de pares“… – Nos semicondutores…quando um elétron é promovido para a banda de condução, o buraco na banda de valência se comporta como ‘partícula positiva‘…com mobilidade dentro do material… para – portanto… – conduzir…”corrente elétrica“.

Assim, no caso da produção de pares, a promoção de um elétron de energia negativa para energia positiva … com a absorção de um fóton… cria um par ‘elétron-pósitron’. Um pósitron pode então vir a ocupar este ‘estado vazio’; cedendo a diferença de energia … na forma de fótons. Sendo o buraco um ‘pósitron’…consideramos o processo, uma colisão, entre essas 2 partículas.

Sendo partículas de mesma massa, mas com cargas opostas, elétron e pósitron se atraem. Se a colisão não é exatamente frontal, como ocorre na maioria dos casos, uma quantidade de momento angular relativo às duas partículas… faz com que estas passem a orbitar uma em relação à outra… – formando um sistema binário. Isto se assemelha ao átomo, somente que aqui não há um núcleo de massa muito maior. Esta semelhança faz com que este sistema… – portanto, seja considerado um ‘átomo exótico’…  chamado ‘positrônio‘.
Como num átomo comum… – em que o elétron… – em camadas atômicas de energia (ou momento angular) elevada, perde energia… passando pra órbitas mais baixas – emitindo fótons a cada passagem. O positrônio também perde momento angular, com o pósitron cada vez mais perto do elétron, até que ambos se aniquilem (…o elétron ocupa o buraco!) emitindo, em geral, dois ou três fótons (com 2 fótons sendo muito mais provável).

A emissão de um único fóton também é possível, caso o pósitron colida com um elétron fortemente ligado ao átomo – mas, este processo…é muito raro. 

O processo todo ocorre muito rapidamenteo positrônio dura, em média, cerca de 100 nanosegundos, sendo que, para haver “conservação do momento é necessário que  os fótons tenham a mesma energia (ou mesmo ‘momento’) emitidos em direções opostas.  Atualmente já é possível produzir antipartículas em laboratório, a condições controladas. O CERN produz ‘antiprótons‘, conservados em campos magnéticos. Para se formar um ‘pósitron’ é preciso concentrar certa quantidade de energia num ponto… – Em condições adequadas, aparecerá…não apenas uma partícula…mas, um par delas – ambas formadas diretamente dessa energia incidente. Uma será sempre pósitron, e a outra…elétron.

Ou seja…partículas e antipartículas se formam sempre aos pares. Uma                          equilibra a outra. O processo inverso também é verdadeiro…  se um elétron                          colide com um pósitron, ambos se aniquilam mutuamente; – e suas massas                          combinadas se liberam como energia em forma de raios gama. (texto base***********************************************************************

No centro da “Via Láctea”… havia uma enorme fonte de “antimatéria”                “Se a antimatéria fosse pontual…como sugerido em 1997 pelo ‘Compton GRO’…estaria iluminando o imenso buraco negro no centro da ‘Via Láctea’. – Entretanto, por não se distribuir em torno de um só ponto…pode ter várias origens — tais como ‘supernovas’, e/ou… interação entre raios cósmicos…e nuvens de gás e poeira no meio interestelar”.

Em 1997, o satélite ‘Compton GRO’ (Gamma Ray Observatory) detectou bem no centro da ‘Via Láctea uma ‘fonte’ muito grande de antimatéria. Mais tarde, em 2003, o satélite espacial Integral, observando melhor esta fonte de raios gama, indicou as partículas, como provenientes de uma fonte difusa, não pontual…ao longo de mais de 4 mil anos-luz.  

Bombardeio atmosférico (outra evidência…bem mais perto)                                                Como raios cósmicos são ricos em energia, devem produzir bastante antiprótons ao atravessarem o gás interestelar… bem como ao penetrarem na atmosfera terrestre”.

Por meio de sondas enviadas às camadas mais altas da atmosfera…descobriu-se que a Terra está exposta a um contínuo “bombardeio de antiprótons que chegam do espaço, e formam parte da radiação cósmica. Assim como acontece nas instalações do acelerador de partículas do CERN, antiprótons podem se formar no universo, a partir        de partículas comuns, desde que ocorram entre elas choques muito violentos. – Estas partículas microscópicas – vindas do espaço – entram constantemente na “atmosfera terrestre”. Como forças de atração produzidas entre átomos formam uma barreira de proteção em torno da antimatéria — algumas dessas menores escapam da destruição.

raio globular

Supõe-se que essas antipartículas estejam carregadas eletricamente por ionização, e assim se exponham aos ‘campos elétricos’ da atmosfera terrestre, formados…por ex, em tempestades. ‘Seriam estas tormentas que acenderiam o ‘pavio da explosão’ que aniquilariam as antipartículas’. A energia assim liberada forma uma incandescente  “bola vermelha”… por escassos segundos.

Há muitas descrições dessas bolas aparecendo em meio a uma tempestade,                          e desaparecendo repentinamente…com um forte estampido. – O fenômeno                      chama-seraio globular… e, é um mistério para os cientistas que ninguém,                        até agora, conseguiu sucesso em reproduzi-lo em laboratório…Entretanto,                            é possível que – no futuro… se consiga relacioná-lo … com a “antimatéria”.

AMS na ISS

AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) na ISS

“Espectrômetro Magnético” 

Para determinarmos…com critério, a quantidade de antimatéria que há no universo, precisamos buscar núcleos de anti-hélio…Depois do hidrogênio, o hélio é a substância mais comum do “espaço cósmico“. Um núcleo de anti-hélio, indicaria  a possibilidade de anti-estrelas, já que se forma da ‘exóticaestrutura  de 2 antiprótons, e 2 antineutrons.

Em 2011, foi colocado em órbita o ASTROMAGI. Esse instrumento…a bordo da estação espacial ‘ISS‘…(acima)…é equipado com potentes ímãs supercondutores, capazes de desviar a trajetória das partículas super-rápidas… Assim, uma ‘barreira de detetores‘  poderá distinguir se determinado núcleo é formado por hélio, ou anti-hélio…(se os ímãs desviarem as partículas de hélio para a esquerda… as de anti-hélio irão para a direita.)  ‘Moléculas de antimatéria no espaço’ (2006) ### ‘Antimatéria x matéria escura’ (2014) 

Principais descobertas sobre antimatéria no século 20:

Pósitrons – elétrons com uma carga positiva ao invés de negativa. Descobertos por            Carl Anderson em 1932…foram a primeira evidência de que a ‘antimatéria‘ existe;

Antiprótons – prótons que possuem carga negativa ao invés da carga positiva;     produzido inicialmente em 1955 – por pesquisadores de Berkeley… no Bevatron;

Anti-átomos – emparelhando pósitrons e antiprótons, cientistas do CERN, em 1995 criaram o primeiro “anti-átomo”, ao combinar 1 antipróton com 1 pósitron – (o átomo normal de hidrogênio é constituído por um próton e um elétron)… – 9 átomos de anti-hidrogênio foram criados, cada um durando apenas 40 nanosegundos já em 1998, a produção de átomos de “anti-hidrogênio” no CERN foi impulsionada para 2.000/h. ********************************************************************************

Produção & Armazenamento                                                                                                    No Universo, a antimatéria é pouco frequente, mas pode ser criada em colisões                  de alta velocidade – por exemplo…nas ‘erupções solares‘, quando partículas                ejetadas… se chocam com outras mais lentas… – dentro da ‘atmosfera solar‘.

The ALPHA experiment at the CERN physics lab in Geneva, Switzerland traps exotic antimatter to study how it differs from matter.

No experimento ALPHA (LHC/CERN), armadilhas estão preparadas para capturar, e estudar a exótica antimatéria.

Na Terra, as partículas de antimatéria de ‘alta energia’ só são produzidas em números relativamente elevados…nos maiores aceleradores de partículas do mundo, como o ‘LHC’ do CERN, onde grandes túneis circulares – revestidos com poderosos…’supermagnetos‘…aceleram os átomos… – a velocidades próximas à da luz. – Ao colidir com o alvo…no término dessa viagem…pelo acelerador o átomo cria partículas, bem como raras“antipartículascapturadas pelo…”campo magnético”.

A produção atual desses aceleradores de partículas de alta energia é de apenas 1 ou 2 picogramas de antiprótons por ano (Um picograma é um trilionésimo de grama.) Ou seja, todos antiprótons produzidos pelo CERN em 1 ano … só seriam suficientes para acender uma lâmpada elétrica de 100 W por 3s. Nesse contexto, a produção mundial         de antimatéria é da ordem de 1 a 10 nanogramas (bilionésimos de grama) – por ano!

Mas há um problema sério para se resolver, antes de se pensar na prática de qualquer tipo de pesquisa possível. – Se é tão difícil ‘fabricar’ antimatéria, mais difícil ainda é armazená- la… Assim que a antimatéria entra em contato com a matéria normal ao seu redor, elas se aniquilam…em um trilionésimo de segundo. – Até hoje, a antimatéria tem sido isolada…e manipulada indiretamente…Para isso, utilizam-se gigantescos aparatos eletromagnéticos, capazes de criar campos magnéticos, fortes o suficiente para manter a antimatéria isolada de qualquer traço de matéria. ## ‘Utilizando radiofrequência para armazenar antimatéria’  (set/2007) “antimatéria afinal capturada” (nov/2010) ‘garrafas de antimatéria’ (fev/2011)

A “propulsão de antimatéria”                                                                                                A antimatéria é particularmente útil…para se armazenar grandes quantidades de            energia, com peso e volume ínfimos. – O problema em se desenvolver tal propulsão,          é a falta de “antimatéria” no mercado… – Como não existe, naturalmente, ao nosso            redor, temos que criá-la…e conservá-la… – o que, como já vimos… não é nada fácil”.starship_concept_ii_by_merbel-http://mahmoudraad.tumblr.com/
Como resposta à famosa equação de Einstein… E=mc²… – quando da aniquilação matéria/antimatéria, toda massa das duas partículas é convertida em energia, cuja eficiência por partícula resultante dessa reação excede – “em muito” – a eficiência das reações químicas…tais como a combustão de oxigênio e hidrogênio…atualmente utilizada nos principais motores espaciais, e também, das reações nucleares. A energia liberada dessa aniquilação é cerca de 10 bilhões de vezes maior que a ‘energia química’ liberada na combustão de hidrogênio e carbono. Tais reações matéria/antimatéria são      mil vezes mais potentes que a energia da fissão, produzida em usinas nucleares; e 300 vezes a energia da fusão nuclear das estrelas. – Será a propulsão mais eficiente jamais desenvolvida, pois 100% da massa de matéria e antimatéria…é convertida em energia.      Ao entrarem em contato…se aniquilam completamente… – produzindo uma explosão,        que emite radiação (‘raios gama‘) consequentemente dispersa… à “velocidade da luz”.

Componentes principais para um hipotético “motor de antimatéria”   

Anéis de armazenagem magnética – a antimatéria precisa ser separada da matéria normal para que os ‘anéis de armazenamento com campos magnéticos’ possam mover a antimatéria ao redor do anel… — até que seja suficiente para criar energia; Sistema de alimentação – quando a nave necessitar de mais energia… a antimatéria será liberada para colidir com um alvo material; Estato-reator magnético – mecanismo guia para direcionar o impulso de energia na aniquilação matéria/antimatéria, pelo foguete.

Motores de antimatéria têm o potencial de nos levar mais longe, com menos combustível. Aproximadamente… 10 gramas de antiprótons… já seria o suficiente para enviar uma espaçonave tripulada até Marte em 1 mês… – Atualmente, uma espaçonave não tripulada leva quase 1 ano para chegar a Marte. (A “Mars Global Surveyor”…em 1996… demorou 11 meses)… – Supõe-se que a velocidade de uma espaçonave movida a ‘matéria-antimatéria’ permitiria ao Homem, ir aonde ninguém jamais esteve. (‘Motor de matéria/antimatéria’)

O Paradoxo Inicial…                                                                                                               ‘Se…da energia se produz matéria… – cria-se a grande expectativa                                         de, enfim, ser possível esclarecer o mistério da origem do Universo’.

No passado…os astrônomos acreditavam que o Universo se formara…a partir de uma “reserva básica” de ‘massa‘, existente, desde o princípio. Porém, a partir dos anos 60, todos acontecimentos então relacionados ao Big-Bang  começavam a fazer sentido, quando os cientistas, enfim se deram conta – de uma gigantesca… contradição.

A ‘fase inicial do universo se caracterizou por umcalor colossal – e uma surpreendente uniformidade, com energia mais que suficiente para produzir toda massa hoje conhecida.    Se for certo que, quando se cria ‘matéria’ a partir de energia, sempre se cria ‘antimatéria’ em igual quantidade…então é possível que este ‘calor inicial’, possibilitasse o simultâneo  aparecimento de partículas e antipartículas, unidas em um tipo de “sopa homogênea“.

Enquanto o Universo se expandia e esfriava…à grande velocidade, só havia um destino possível para esses pares de partículas e antipartículasa mútua destruição. Pósitrons colidindo com elétrons… – prótons com antiprótons… – e, neutrons com antineutrons; sempre resultando numa explosão destruidora. Nessas circunstâncias, não poderia ter sobrevivido muita matéria – e portanto… o Universo não estaria cheio de átomos, mas sim, de raios gama…No entanto, a realidade não é assim; a matéria existe, e os átomos estão em toda parte… Precisava-se então, achar o mecanismo da natureza responsável      pela separação entre matéria e antimatériaque poderia evitar aquela ‘orgia cósmica’.  Entretanto, a não ser pela salvadora explicação teórica do espalhamento inflacionário, nada foi encontrado… Os primeiros radiotelescópios, instalados a bordo de satélites artificiais permitiram descobrir que no Universo não há tantos ‘raios gama‘ como se imaginava. Existem provas de reações bem energéticas ocorrendo em pontos isolados,      tal como no núcleo de algumas galáxias e quasares, criando assim antimatériaque a seguir é aniquilada – mas não se espera tratar-se da antimatéria residual do Big Bang.

Por que então, a antimatéria é tão rara…hoje em dia? – E,                            em consequência disso … será que ainda poderíamos ter a                  esperança de existir mais antimatéria oculta no Universo?

Enfim, o que sabemos sobre antimatéria    é muito pouco, ou quase nada… – muito embora, já sermos capazes de fabricá-la. Seguramente – seria muito mais prático produzi-la no espaço, com a ausência de gravidade e a ajuda do vácuo necessário.  Até há pouco, produziam-se antiprótons mediante choques de alta energia, o que os levava a se mover quase à ‘velocidade da luz’. Porém, no CERN foi criado novo modo de conservar antiprótons, que vai permitir pesquisas muito mais precisas.

Hoje em dia, é utilizado um aparelho chamado LEAR (Light Energy Antiproton Ring, ou Anel de Antiprótons de Baixa Energia) — que reduz, consideravelmente, essa velocidade. Assim, os antiprótons caem na chamada ‘Armadilha de Penning‘…onde, por meio de campos magnéticos, são continuamente lançados pra frente e pra trás, sem se chocarem com as paredes. É lá que se pode fazer experiências… Por exemplo, comparar sua massa com a dos prótons…ou, pesquisar como são afetados pela gravidade. Enfim, verificar se, de fato… – “matéria e antimatéria são simétricas“… – como sempre se acreditou.

Já se passaram muitas décadas desde que o físico Paul Dirac apresentou ao mundo científico suas equações…mas investigações sobre antimatéria estão só começando.    Estudar a antimatéria pode fornecer valiosas informações a respeito da origem e natureza da ‘matéria comum‘, e mesmo, do nosso próprio Universo. (texto base***************************************************************************** 

Matéria e Antimatéria em ‘Re(l)ação’ Química (out/2006)                                               “Este objeto composto (protônio)…naturalmente se aniquila, criando um nº                      par de píons carregados como rastro. Normalmente… a aniquilação se dá                        em 1 trilionésimo de segundo… – mas no ‘Athena’… (em condições de vácuo extremamente restritas) a duração é de 1 incrível milionésimo de segundo”.                    

A Colaboração Athena, um grupo experimental que trabalha no laboratório do CERN    em Genebra, em outubro de 2006, numa façanha de ‘antiquímica‘, mediu reações que envolvem Hidrogênio Antiprotônico (antipróton, negativamente carregado, com 1 pósitron, positivamente carregado)… Uma porção dessa antimatéria artificial foi quimicamente combinada com matéria normal em um experimento no laboratório de física de partículas do CERN, liderado por Evandro Rizzini – Universidade de Brescia.

antimateria-brilho

Ilustração de uma nuvem de átomos de anti-hidrogênio presos numa armadilha magnética. [Chukman So/CERN]

Antimatéria só surge raramente…ou  em laboratório…nos aceleradores de partículasou, em eventos naturais, altamente ‘energéticos‘…como raios cósmicos atmosféricos. Isso porque, quando 1 partícula encontra uma antipartícula – ambas se aniquilam instantaneamentesó deixando um rastro de raios γ super-energéticos.  Foi descoberto porém um modo das      2 se juntarem…numa hiper-instável partícula…de prótons e antiprótons, assim denominada… – “protônio“.  

Em 1º lugar, são criados antiprótons no próton-síncroton do CERN, esmagando prótons em um alvo fino. – Em seguida, os ‘antiprótons resultantes passam pela desaceleração… de 97% para 10% da velocidade da luz. Mais alguns estágios de arrefecimento, incluindo    a imersão em um banho de elétrons lentos, trazem os antiprótons a um ponto, onde eles podem ser capturados pela armadilha eletrostática Athena. Alguns deles se combinaram para formar ‘anti-hidrogênio‘ … objetivo inicial da experiência. Mas da mesma forma,  também foi produzido um tipo ainda mais peculiar de matéria… Acredita-se que, alguns dos ‘antiprótons’ reagiram com moléculas ionizadas de hidrogênio comum, arrancando-lhes um próton. Isto permitiu que os pesquisadores estudassem pela 1ª vez, uma reação química entre o mais simples íon de antimatéria (antipróton)…e o íon molecular mais simples da matéria…o H2+(2 átomos de Hidrogênio…com 1 elétron faltando). Juntar esses 2 íons –> resulta em Protônio + 1 átomo neutro de Hidrogênio.

Esses sistemaspróton/antipróton duraram apenas alguns microssegundosmas, isso foi tempo suficiente para que muitos deles fluíssem para fora do núcleo do experimento antes de explodir…Essa representa a primeira reação química entre matéria e antimatéria não se levando em conta a interação de ‘pósitrons’ (ou ‘antielétrons’), com a matéria comum.  (Já havia se inserido antiprótons em átomos de Hélio, todavia isto não constituiu reação química – uma vez que os antiprótons apenas substituíam um elétron no átomo de Hélio).

A emissão experimental da eventual aniquilação do Protônio permitiu que os cientistas da ‘Athena’ deduzissem que, seu nº quântico principal (n) tem um valor médio de 70, em vez dos 30… Por outro lado, o ‘momento angular’ ficou bem abaixo do esperado – talvez, pela baixa velocidade relativa de aproximação dos ‘íons’ de matéria e antimatéria antes da reação…Eles agora esperam realizar uma espectroscopia do seu exótico “átomo”, em acréscimo à dos átomos capturados de “anti-hidrogênio” (antiprótons – com pósitrons).

‘Primeira Reação Química com Antimatéria’  ‘Matéria e antimatéria em reação química’  ********************************************************************************

colisor RHIC

Utilizando o colisor RHIC, os cientistas observaram um núcleo que está fora do espaço biparamétrico da tabela periódica. Portanto, antimatéria. [Imagem: Star]

Tabela Periódica de“antimatéria”  

Um grupo internacional de pesquisadores, com participação brasileira … conseguiu a primeira “evidência experimental” de que, “núcleos atômicos compostos“… – de antimatéria podem ser produzidos pela colisão de íons de ouro em alta energia. A capacidade para formar… em abundância, essas “partículas exóticas”… – segundo os autores, poderá ser fundamental para por a prova “aspectos fundamentais” da física nuclear…da astrofísica, e…da cosmologia.

O experimento, realizado pela “Colaboração Star” reuniu 584 cientistas de 54 instituições em 12 países diferentes – e foi produzido no Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC, sigla em inglês), nos EUA, e o artigo descreveu a primeira observação da formação de um ‘anti-hipernúcleo’. Segundo o físico da USP Alejandro Szanto Toledo coautor do trabalho:  “Uma colisão de íons pesados em alta energia — como a que foi produzida no RHIC, gera grande quantidade de partículas… – Em tese… quando a energia é suficiente para atingir uma ‘transição de fase’, são geradas também antipartículas. Algumas destas, quando  submetidas à… ‘coalescência(processo análogo à condensação), podem agregar por exemplo, dois anti-neutrons e um anti-próton … formando um ‘anti-trítio‘ … núcleo de antimatéria correspondente ao isótopo do hidrogênio…com dois neutrons, e um próton”. 

O experimento formou ‘hádrons‘ – partículas formadas por quarks… como prótons e neutrons – que possuem um ‘quark estranho‘ – formando o chamado hipernúcleo. No modelo padrão da física de partículas, o ‘quark estranho’ é aquele que possui o novo número quântico conhecido como “estranheza“. Esse hipernúcleo formado, que é um “anti-estranho”, é feito de ‘antimatéria‘. Segundo Toledo, essa é a primeira vez que se consegue evidência experimental de um ‘anti-hipernúcleo‘, isto é, um núcleo fora do espaço ‘biparamétrico’ da tabela periódica. Tratando-se, portanto, de “antimatéria”.    A reação foi produzida nos mais altos níveis de energia atingidos pelo RHIC. Tal região    de alta densidade de energia foi formada pela colisão de 2 núcleos de ouroa 200 GeV.  Por se tratar de um “anel de colisão”…a energia no centro de massa é de 400 GeV, uma quantidade de energia suficiente para derreter a…matéria nuclear – provocando então, uma “transição de fase“. Dessa forma, foi possível passar da “matéria hadrônica” para um outro estado conhecido como “plasma de quark-glúon“. E foi esse novo estado da matéria nuclear vindo da “transição de fase” (também observado pela 1ª vez      no HRIC) que possibilitou a formação da ‘coalescência’, produzindo anti-hipernúcleos. 

A próxima meta planejada, segundo Toledo, é a criação de um “anti-hélio“…umapartícula alfade antimatéria…Como quanto mais complexo o antinúcleo menor a probabilidade de coalescência; sendo antitrítio composto de 3 partículas. – Se por            acaso quisermos um “anti-hélio“, vamos precisar de 4 partículas na mesma região              do espaço – dois antiprótons e dois antineutrons. “A tarefa não será fácil, mas a “Cooperação Star” tentará enveredar por essa direção”… afirmou o pesquisador.

“Eixo da estranheza”                                                                                                                  Para se ter uma ideia da “eficiência” do processo — basta dizer que em 100 milhões de colisões, 70 foram observadas. Para reconhecê-las foi preciso criar um filtro de extrema precisão – na identificação dessas partículas…mergulhadas num meio…superpovoado, com todas partículas, surgidas da colisão… A partir desses resultados seria possível prosseguir com os experimentos… – até a construção de uma nova ‘tabela periódica’.  

tabela antiperiodica

“Estendendo a tabela, podemos encontrar o nº de anti-prótons e anti-neutrons no mesmo plano. Com isso, estabeleceríamos um 3º eixo na tabela, perpendicular aos outros 2: o eixo da estranheza.” [Imagem: Star]

Outro caminho para as investigações, segundo Toledo, consiste em colocar à prova as leis fundamentais da física de partículas… – Por exemplo, sabemos que a tabela periódica até recentemente possuía 2 eixos…o número de prótons, e o número de neutrons… Se estendermos a tabela, podemos encontrar também o nº de antiprótons e de antineutrons no mesmo plano. Com isso poderíamos criar um terceiro eixo na tabela (S) que nunca foi observado e é perpendicular aos outros 2… ao qual chamaríamos “eixo da estranheza“; que é zero para toda matéria normal, mas pode não ser, no núcleo de estrelas colapsadas.

Os coautores brasileiros desse estudo sobre a “antimatéria” são…além Alejandro Toledo, Alexandre Suaide e Marcelo Munhoz, professores do Departamento de Física Nuclear da USP; Jun Takahashi, professor do Instituto de Física da Unicamp, e seus orientandos de doutorado Rafael Derradi de Souza…e, Geraldo Vasconcelos. (texto base – março/2010**********************************************************************************

anti-alpha

Contagem de partículas por massa, mostrando os núcleos de hélio comum (He-3 e He-4) em laranja, e seus equivalentes de antimatéria (anti-hélio-3 e anti-hélio-4) em azul. [Imagem: BNL]

Anti-hélio: a mais pesada ‘antipartícula’

‘Antipartículas’ têm carga elétrica oposta à das partículas de matéria ordinária e antineutrons, também eletricamente neutros, são compostos de antiquarks. A ‘Colaboração STAR’ do RHIC, acaba de anunciar…a descoberta de 18 núcleos de anti-hélio, contendo cada um 2 antiprótons e 2 antineutrons – detectados…por colisões de núcleos atômicos pesados – estendendo assim a anti-tabela ao ‘eixo estranho‘ da antimatéria.

Em 1911…o cientista Ernest Rutherford (1871-1937) utilizou núcleos de átomos de hélio-4; as chamadas ‘partículas alfa’, para demonstrar que átomos concentram sua carga positiva em 1 pequeno núcleo. Essa descoberta corresponde ao início da física nuclear. Exatos 100 anos após a criação do modelo atômico de Rutherford, um grupo de cientistascom participação brasileira – descreve pela 1ª vez a observação e medição de antipartículas de núcleos de hélio-4… Trata-se da antimatéria mais pesada já produzida…e medida em um laboratório. O próximo anti-elemento dessa nascente anti-tabela periódica…o ‘anti-lítio‘ poderia em tese formar antimatéria sólida a temperatura ambiente; isso porém seria algo muito mais difícil de se realizarCalcula-se que o anti-lítio poderia ser criado de colisões com menos de 1 milionésimo da frequência de formação do anti-hélio-4, agora detectado. Na prática, isso o coloca fora do alcance dos colisores de hoje, incluindo o próprio ‘LHC’.

“Com a observação do anti-hélio – uma partícula alfa de antimatéria… foi dado mais um passo em direção à construção de uma nova ‘tabela periódica‘. Tratava-se de uma tarefa difícil, porque a possibilidade de coalescência decresce com o aumento da complexidade do anti-núcleo”, disse Alexandre Suaide, do Instituto de Física – USP, coautor do estudo.

AMS-antimatter-NASA

Características técnicas do experimento

No experimento STAR realizaram-se colisões de núcleos de átomos de ouro – em velocidade próxima à da luz … com altíssima temperatura, criando uma densidade de energia semelhante à que existiu microssegundos após o ‘Big Bang’. Em ambos os casos, as “colisões” resultam em  quantidade similarde matéria e antimatéria.

Para registrar as antipartículas, os cientistas utilizam enormes detectores…sofisticados, o bastante, para medir a trajetória das partículas e a partir delas tentar identificar o tipo de partícula observada. – Tanto o armazenamento, como a análise da imensa quantidade de dados produzida…segundo Suaide, exigem o envolvimento de dezenas de instituições em todo mundo…e uma poderosa infraestrutura computacional Neste experimento, foram produzidas cerca de 1 bilhão de colisões de núcleos de ouro cada qual com milhares de partículas diferentes. Desses trilhões de partículas, encontramos 18 núcleos de anti-hélio.

Esconderijo da antimatéria”                Teorias afirmam que matéria e antimatéria foram criadas…em quantidades iguais, nos primeiros instantes do universo… mas, por razões desconhecidas a matéria prevaleceu.

A obtenção do anti-hélio não nos leva mais perto de responder a questão…do universo observado a partir do ‘Big Bang‘, não estar repleto de antimatéria, mas poderá ajudar a entender – o que então…teria acontecido.

Já se sabe que antiprótons ocorrem naturalmente…em pequenas quantidades, entre as partículas de alta energia; os chamados raios cósmicos, que atingem a Terra… O AMS irá procurar por antipartículas mais pesadas. Mas, se o anti-hélio é produzido só raramente, em colisões, como mostrou agora o RHIC…então, o AMS não deverá detectar anti-hélios. Se encontrar altos níveis de anti-hélio, isto poderia reforçar a teoria de que a antimatéria não foi destruída no início do universo, mas…somente separada numa parte diferente do espaço, onde não pode entrar em contato com a matéria. (texto 1) (texto 2) # (mar/2011)  ***********************************************************************************

Átomo de antimatéria… é medido… pela primeira vez  (março/2012)                          “Nós fizemos uma medição. Em matéria de precisão não é tão perfeita, mas                        é a única já feita com a antimatéria”… disse Jeffrey Hangst, chefe da equipe.

Niels Madsen - This antimatter trap at the ALPHA experiment at CERN mixes positrons and antiprotons to make antihydrogen

‘experiência ALPHA’ – armadilha de antimatéria; positrons e antiprotons produzindo anti-hidrogênio

Um átomo de anti-hidrogênio (1 antipróton e 1 pósitron) … é análogo ao de ‘hidrogênio’,  que é composto de 1 próton…mais 1 elétron. Nestes testes … numa frequência específica, aplicaram-se feixes de microondas…aos átomos de “anti-hidrogênio”, alterando seu ‘spin‘ (giro), fazendo com que a orientação magnética da partícula se modifique…e sua “prisão magnética” deixe de existir. Ou seja, o anti-átomo fica livre para colidir com um átomo da armadilha, que é feita de matéria. Quando é aniquilado… – pode ser detetado.

O experimento prova que é possível mudar as propriedades internas do “anti-átomo“, ao aplicar luz nele. Esse é o 1º passo para usar o método de medição da espectroscopia, que envolve canalizar a luz numa frequência muito específica – para que ela excite os pósitrons do anti-átomo até um nível maior de energia. — Após essa passagem … o pósitron voltará à sua posição, emitindo uma ‘energia extra… que permitirá aos cientistas fazer a medição.

A teoria mais aceita sobre as partículas é o…”Modelo Padrão”…“por ela, sabemos que          algo está faltando…e também, que não entendemos tudo sobre a ‘antimatéria‘, pois          não sabemos o que aconteceu com ela logo após o ‘Big Bang‘. – A melhor hipótese é            que as 2 partículas se comportam de maneira diferente  por exemplo…decaindo em          níveis diferentes. A medição pode então ajudar nisso”, concluiu Hangst. (‘texto base’******************************************************************************* consulta…O que é Antimatéria?Em busca da AntimatériaPesando Antimatéria Pesando a Antimatéria 2 ## Como cai a antimatéria? ## Como ‘brilha’ a Antimatéria Antimatter keeps with…”quantum theory”… – It’s both particle and wave (mai/2019) ****************************(texto complementar)*******************************

caosquântico

Dirac e o vácuo quântico

Em 1930, o físico Paul Dirac estava tentando entender equações que havia obtido… para o elétron… – ao juntar as teorias da “mecânica quântica” e “relatividade restrita”. Imaginou então, que haveria um “mar de elétrons” – e, que a situação similar ao vácuo seria…o mar calmo com todos elétrons sob sua superfície.  Mas poderia acontecer de um elétron ganhar energia e saltar pra fora, feito 1 peixe voador.

Neste caso – ficaria um buraco no mar… e este buraco acabou sendo interpretado, como a antipartícula do elétron, o chamado “pósitron(que tem todas as propriedades idênticas às do elétron, a menos da carga elétrica). – Esse modelo visual simples…então daria conta do surgimento de um par elétron-pósitron a partir da energia por exemplo de ‘raios gama’.

O processo inverso… – a aniquilação de 1 elétron por 1 pósitron              (resultando num par de fótons de ‘raios gama’) corresponderia,                      no modelo de Dirac, ao retorno da gotinha para dentro do mar.

Na década de 1930…tentou-se conciliar a ‘teoria da relatividade’ com a “teoria quântica    de campo” (além do que conseguira Dirac)e uma das chaves para isso foi a percepção     de que o vácuo quântico podia ser ‘polarizado’, como se fosse um fluido dielétrico. Com     a consolidação da ‘eletrodinâmica quântica‘ por Tomonaga, Schwinger, Feynman e Dyson, o conceito de vácuo quântico se tornou parte integrante do retrato do Universo.    Nesse sentido…o “mar de Dirac” deve ser visualizado numa superfície com pequenas, mas constantes ondinhas, sob uma “energia de ponto zero”. As flutuações do vácuo são análogas às flutuações na superfície do mar – e há sempre a possibilidade de partículas materiais serem criadas a partir dessas flutuações… – como gotinhas d’água que pulam para fora da superfície, deixando um buraco infinitesimal… dentro do mar. (texto base)  *********************************************************************************

Matéria e antimatéria podem ser criadas do nada (dez/2010)                                “Sob condições adequadas – que incluem um feixe de laser…de altíssima intensidade…e um acelerador de partículas de 2 kms de extensão, pode ser possível criar algo do nada”. 

Um grupo de cientistas da ‘Michigan University’, EUAdesenvolveu novas equações que descrevem como um feixe de elétrons de alta energia combinado a um intenso pulso  de laser, pode ‘rasgar‘ o vácuo, liberando assim componentes fundamentais de matéria    e antimatéria, desencadeando então…”eventos em cascata”… – numa geração induzida  de “pares adicionais” — perfeitamente detetáveis — de partículas e antipartículas.

Na base de todos estes trabalhos está a ideia de que ‘vácuo quântico não é exatamente ‘o nada’. Como assim explica Igor Sokolov:

“É melhor dizer… – acompanhando o físico teórico Paul Dirac… que ‘vácuo’, ou ‘nada’,   é a composição de … ‘matéria/antimatéria’, ‘partículas e antipartículas’ … que no todo, possuem enorme densidade…mas, as quais não percebemos individualmente pois seus efeitos observáveis anulam-se… – ao todo”. 

Em condições normais, matéria e antimatéria destroem-se mutuamente assim que entram em contato umas com as outras, emitindo tantos raios gama, que já se imaginou aproveitá-los na construção de laser de raios gama…E, argumenta John Nees, co-autor do estudo:

“Sob forte campo eletromagnético, este aniquilamento que, tipicamente,                                funciona como um ‘ralo de escoamento’… pode se converter numa fonte                                  de novas partículas. No curso da aniquilação, surgem…’fótons gama‘,                              que, em efeito cascata, podem produzir elétrons e pósitrons adicionais”. 

O que os cientistas calculam, é que os fótons de raios gama produzirão uma “reação         em cadeia” que poderá gerar partículas de matéria e antimatéria detetáveis. Em um experimentopreveem eles, um ‘campo de laser‘ forte o suficiente irá gerar mais partículas, do que as injetadas por um acelerador de partículas No momento, não      existe nenhum laboratório com as condições necessárias para testar a teoria Mas,              para Sokolov, o tema, em sijá é fascinante o suficiente – não só nos fundamentos              da física teórica, mas também em nossa percepção filosófica do mundo. (texto base) ******************************************************************************

Experimento vai criar matéria e antimatéria a partir da luz (maio/2014)           “Dirac nos ensina, e convence, como a matemática pode ser fundamental para o refinamento daquilo que, comumente, chamamos intuição física.” (José Abdalla)

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Interações básicas entre matéria e luz têm sido descritas, comprovadas por experimentos, e geralmente premiadas com o Nobel de Física. [Imagem: Oliver Pike/Imperial College London]

Em 1934, os físicos Gregory Breit e John Wheeler apresentaram uma teoria que descreve como criar matéria a partir de luz pura… – Na época…eles descartaram a ideia de que tal fenômeno pudesse ser observado em laboratório – pela dificuldade… em elaborar o teste experimental necessário. – Agora, Oliver Pike e colegas, do Imperial College, de Londres, afirmam ter descoberto uma forma de realizar este sonho. – Eles propõem utilizar lasers de alta energia, disparados contra um invólucro especial de ouro… para converter fótons em pares de partículas de matéria e antimatéria…O experimento tentará recriar o que se acredita acontecer nas grandes “explosões estelares” – conhecidas como “supernovas“.

A área é promissora… – várias outras ‘interações básicas’ entre “matéria” e “luz” têm sido descritas, comprovadas por experimentos…e geralmente premiadas com o Nobel de Física. Um exemplo é a proposta de Paul Dirac… – feita pouco antes (1930)…de que um elétron e seu equivalente de antimatéria (pósitron) poderiam ser aniquilados em uma colisão, para produzir 2 fótons… – E assim, efetivamente…  transformando matéria em luz.

O traçado em curva marca a trajetória de uma partícula positiva com características análogas a de um elétron. Eis o primeiro registro de um pósitron. (foto: Wikimedia Commons)

O traçado em curva marca a trajetória de uma partícula positiva com características análogas a de um elétron. Eis o primeiro registro de um pósitron. (foto: Wikimedia Commons)

Breit e Wheeler previram o reverso dessa reação – ou seja2 fótons se chocando…produzindo… matéria e antimatéria — isto é… 1 elétron e    1pósitron O trabalho realizado  agora também é teórico mas com a vantagem do ‘experimento’ incluir somente ‘tecnologias já existentes, na construção de um… — “colisor fóton-fóton, capaz de converter    a luz…diretamente em…matéria.

Na verdade – esta não será a 1ª vez que tal experimento será feito… em laboratório… — Thomas Koffas fez isso em 1997… usando o acelerador de partículas de Stanford (“SLAC“).

Contudo, em vez do experimento simples e básico – ou ‘elegante’, como os físicos chamam essas demonstrações fundamentais – eles fizeram a coisa por atacado, por assim dizer. No experimento do SLAC, os elétrons produziram fótons – que então passaram por múltiplas colisões dentro da mesma câmara, produzindo elétrons e prótons – o experimento passou então, a ser conhecido como processo Breit-Wheeler multifotônico. ###(‘texto base’)##**********************************************************************************

antimateria-com-laser

O pulso de laser se propaga ao longo do eixo X, enquanto a superfície da folha metálica fica na perpendicular.[Kostyukov/Nerush/IAP RAS]

Matéria/antimatéria criadas a laser‘    Depois da criação de matéria  a partir do ‘vácuo quântico’…agora não se fala apenas de fótons mas…de elétrons…e pósitrons.

A interação entre luz/matéria, está na base de inúmeras tecnologias: de células solares à ‘plasmônica’ e ‘spintrônica’…sem falar de todas aquelas…com o termo quântico no nome, como a ‘computação quântica’. Mas, quando a luz atinge ‘intensidades’ bastante elevadas… sobretudo na forma de lasers de alta potência… – as coisas começam a ficar bem interessantes – para dizer o mínimo…  Os físicos Igor Kostyukov e Evgeny Nerush da Academia Russa de Ciências acabam de publicar um artigo explicando como se faz para produzir elétrons e pósitrons, a partir de interações fortíssimas…laser-matéria“.

O conceito fundamental por trás desses experimentos aparentemente bizarros é fornecido por uma área da física conhecida como “eletrodinâmica quântica” … que explica como um forte campo elétrico pode fazer o vácuo quântico “ferver”… Como o vácuo quântico é tudo, menos vazio, as partículas virtuais nele…saltam para a “realidade”, onde podem então ser capturadas…Nesse sentido, o campo [elétrico] pode converter esses tipos de partículas de um estado virtual…onde as partículas não são diretamente observáveis…a um estado real.

A coisa deverá funcionar da seguinte forma – o forte campo elétricoinjetado pelo laser causará grandes perdas de radiação pelos elétrons de umaplaca metálica – que servirá como alvo, porque uma quantidade significativa da sua energia será convertida em raios gama – fótons de alta energia…que são as partículas que formam a luz. Os fótons de alta energia desse processo vão interagir com o “campo do laser”e criar pares de elétrons e pósitrons. – Como resultado, emerge um novo estado da matéria: partículas fortemente interativas…campos ópticos e radiação gama – uma mistura cuja dinâmica é regida pela interação entre…”fenômenos” da “física clássica”… – aliados a…”processos quânticos”.

antimateria-com-laser-1

Distribuição de elétrons (verde) e pósitrons (vermelho) produzidos pela cascata eletrodinâmica quântica. [Kostyukov/Nerush]

Mesmo já existindo vários experimentos em laboratório comprovando a geração de luz e matéria a partir do vácuo, esta teoria, ainda incompleta, dependente de outro fenômeno; um tipo de reação desconhecidaainda não experimentalmente testada, mais conhecida como … “cascata eletrodinâmica quântica“.

Sobre isso Kostyukov diz já ter resolvido uma fase inicial de ‘não interferência’ na interação laser/folha metálica…dos então criados pares “elétron/pósitron“. E então, ele conclui:

“Agora estamos explorando o estágio não-linear; quando o plasma gerado de elétrons e pósitrons modifica a interação. E vamos tentar expandir os resultados às configurações mais gerais das interações laser/matéria… e outros regimes interativos – considerando uma faixa de parâmetros maior. – Assim, o fenômeno gerador de matéria/antimatéria via laser será importante na realização de experimentos não apenas em pesquisas base para a produção de antimatéria, mas também em fontes de plasma, e feixes de fótons e pósitrons, em intensidade muito superior a dos atuais aceleradores”. (texto base /2016)  *********************************************************************************

Como Dirac previu a antimatéria (julho/2020)                                                                      Paul Dirac, agnóstico declarado, permaneceu fiel a sua personalidade minimalista, se esforçando por evitar qualquer tipo de ‘conversa fiada’…Foi ele quem cunhou o termo “Férmion”, em homenagem ao físico Enrico Fermi, mesmo trabalhando na equação        que definia o comportamento deles…Talvez por isso, quase ninguém sabe nada sobre quem ele foi…ou o que fez em sua carreira científica. Mesmo assim, seu trabalho é de primordial importância à eletrônica, em geral…Contudo, sua maior descoberta…pelo menos aquela pela qual ficou talvez mais conhecido, foi na previsão de antipartículas.

paul dirac physics

No início do século 20, Dirac – que acabara de se formar em engenharia – não havia conseguido emprego…Não obsatante – ele, que havia permanecido apenas como um observador na grande revolução quântica, à épocaem andamento – estava ansioso            para dela fazer parte… – e isso o fez escolher a matemáticacomo sua nova carreira. Àquela época, um jovem físico chamado Erwin Schrödinger causava ‘alvoroço’ entre        seus pares. Ele acabara de formular a ‘mecânica ondulatória‘…criando uma equação        para explicar o comportamento do elétron dentro do átomo. Esta “equação de onda” fornecia a “probabilidade” de se encontrar o “elétron”, em qualquer parte do átomo.

Dirac porém…percebeu que a equação de onda de Schrödinger era inconsistente com          a teoria da relatividade especial. Noutras palavras, embora a equação fosse suficiente          para descrever o movimento eletrônico em baixa velocidadeainda não era capaz de      fazer o mesmo em velocidades próximas à da luzAo contrário de outros físicos, que insistiam (e com razão) em que as revelações físicas fossem firmemente baseadas em dados experimentais…Dirac assumiu o desafio de encontrar uma solução para o caso, confiando na sua intuição matemática. – Para ele, se a equação encontrada inspirava beleza e coerência – esta era razão suficiente para estar seguindo o ‘caminho correto’. 

Em 1928, alguns anos após a apresentação da equação de Schrödinger” — Dirac a modificou para torná-la compatível com a “relatividade especial” de Einstein Sua              equação inovadora também definiu os conceitos de “spin” e “momento magnético”              do elétron. Ao desenvolvê-la, ele percebeu que a relação energia-massa de Einstein    estava apenas parcialmente correta. energia relativísticaA fórmula              certa afirmou eledeveria considerar também              o valor negativo ao se extrair a “raiz quadrada”energia total

Mas então de acordo com um axioma da físicacomo as partículas de matéria sempre tendem ao estado de energia mais baixa, o sinal negativo em E = – mc² implicaria que todos elétrons assumiriam uma energia negativa infinitamente grande Todavia, dessa forma, um elétron em um estado de ‘energia positiva’ (ligado ou livre) deveria ser capaz de emitir um fóton – e decair para um estado de ‘energia negativa’. Este processo poderia continuar para sempre…emitindo uma quantidade infinita de luz!…Obviamente esse não era o caso de um universo estável; elétrons não se comportam dessa maneiraIsso então, fez Dirac pensar em uma solução para o problema…Ele propôs um modelo teórico chamadoMar de Dirac” — no qual imaginava que todos estados de energia negativa já estavam ocupados ou seja, que um elétron em estado positivo não poderia decair para energia negativa (pelo ‘princípio de exclusão de Pauli, 2 elétrons não podem compartilhar um único “estado de energia”).   

Se uma partícula do mar de ‘energia negativa’ recebe energia suficiente é possível que assuma um estado de…’energia positiva’Como resultado, um  ‘buraco’ seria criado no mar de energia negativa  com a mesma massa do elétron original, mas agindo como uma partícula positivamente carregada.

Após sugestão de Oppenheimer, Dirac escreveu em 1931, que esse buraco era um anti-elétron; e uma recombinação com o elétrondeveria aniquilar os 2, pois ao elétron entrar em contato com o buraco… – espontaneamente… ele o preencheria… — liberarando… — por consequência — o ‘excesso de energia’. Em 1932 – ao examinar a composição de raios cósmicos“, Carl Anderson  encontrou o pósitron observando que uma partícula do feixe se comportava de maneira incomumSua trajetória, sugeria carga positiva, mas também 1/1.836 da massa do próton, ou seja, a de um elétron.

Na palestra da cerimônia do Prêmio Nobel de 1933…Dirac sugeriu que a parceria partícula/antipartícula deveria ser uma simetria fundamental da natureza… Ele interpretou sua equação sugerindo que a cada partícula existia uma antipartícula correspondente, com a mesma massa da partícula, mas carga oposta. Em 1955, o antipróton foi descoberto por físicos da Universidade da Califórnia, em Berkeley.                O sucesso da ‘equação de Dirac’ mostra a possibilidade do resultado matemático                se manifestar no mundo real. Para Paul Dirac isso é bem verdade seu trabalho                  confirmou os trabalhos anterioresde Newton, Maxwell e Einstein. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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5 respostas para Dirac: do Outro Lado (“proibido”) da Matéria

  1. JMFC disse:

    Penso que quando se descobrir a razão da existência da assimetria matéria/antimatéria no nosso Universo outras respostas a outras interrgações virão. O caso a que se refere na última parte do artigo, matéria escura/energia escura.
    As mais recentes pesquisas laboratoriais têm mostrado que há uma maior tendência para a formação de matéria em detrimento da antimatéria, o que se certo modo poderá vir a dar razão ao modelo do Big-Bang que prevê que nos bilionésimos de bilionésimos do seu 1º segundo da aniquilação mútua de alguns biliões de partículas de matéria/antimatéria sobreviveria uma de matéria. E hoje o nosso Universo é feito por essas partículas sobrantes.

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  2. Cesarious disse:

    O modelo cíclico possui uma imagem (i)cônica pra cima e pra baixo, com a singularidade no meio. Eu penso que o que caracteriza este em cima e em baixo é justamente a inversão matéria/antimatéria. Nesse caso, assim se dariam os ciclos, matéria e antimatéria, alternadamente.

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    • JMFC disse:

      No campo de ideias mais concretas até poderíamos imaginar que tal reciclagem, oscilação, poderia ser efectuada através dos buracos negros, uma ponte Rosen-Einstein. Porém, não há nenhum indício nesse sentido!

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  3. Cesarious disse:

    Sim, por enquanto é apenas uma hipótese.

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