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 ac –> 347 ac )

Paul Dirac - (1902 -1984)

(1902 -1984)

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 diversos 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‘.

Com base nessa profunda simetria da natureza, Dirac chegou, inclusive, a afirmar que — “O fato de que até a Terra tenha sido formada de matéria e não antimatéria, é mera casualidade”…(entretanto… – na “realidade”… – as coisas não são tão simples assim.)

O ‘Mar de 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

em que 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… – Dirac desenvolveu a equivalente equação relativística…a fim de descrever o movimento de um elétron. Como a ‘energia relativística’ de uma partícula na ausência de potenciais externos, é dada por:energia relativísticaa 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 postulou então, 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. Assim, esse mar de partículas com energia negativa (isto é, massa negativa), conhecido como ‘mar de Dirac’… não interage com o nosso ‘mundo usual’,   não podendo, portanto, ser observado.’

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 duas faixas de energias permitidas para os elétrons Sem títulopoderia 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.

Pode-se mostrar que nesse ‘mar de elétrons negativos’, um buraco se comporta como uma partícula de massa positiva (igual à do elétron)…e carga oposta à do elétron. Este buraco é então observado em nosso mundo como uma partícula similar ao elétron – porém…tendo carga oposta, é chamado de pósitron (ou antielétron)…Observacionalmente o fenômeno é visto como a criação de um par ‘partícula-antipartícula’, por um fóton de alta energia E1. Daí o nome… “criação de pares”.

criação par (ou 'borboleta caótica')

criação par (ou ‘borboleta caótica’)

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 ‘estrutura complexa’, com uma energia total negativa e infinita.

O preenchimento destes estados de energia negativa se daria de modo análogo a como se preenchem as camadas fechadas dos átomos… 

Assim, pelo “princípio da exclusão” de Pauli, o elétron de energia positiva nunca sofreria uma transição para…estados de energia negativa (todos já ocupados).

No entanto um desses elétrons poderia ser excitado para um estado de energia positiva, deixando no vácuo (o ‘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 de pares de partículas). Por simetria, Dirac…auxiliado por Weyl, considera que este “buraco” deve ter a mesma massa do elétron – embora, com carga elétrica positiva.

“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”.

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’)

            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 verificar também que… — em analogia ao efeito fotoelétrico… — a interação de uma “absorção do fóton” por um elétron com energia negativa… – também não permite a conservação do momento linear. Deste modo…a “criação de pares” só pode ocorrer nas proximidades de uma partícula pesada como o núcleo atômico (ou de um ‘BN‘, no caso da ‘Radiação de Hawking’) que assim recebe a parte restante do momento inicial do fóton.

O pósitron, portanto, para Dirac, não passa de uma ausência, um ‘buraco’ no mar de elétrons de energia negativa. (Há outras situações em que um buraco se comporta como uma partícula. Por exemplo, bolhas de gás dentro de um líquido, na ‘câmera de Wilson’)

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

A previsão da existência do pósitron… feita por Paul Dirac, e sua quase que imediata descoberta… por Anderson – tiveram um impacto extraordinário na Física Teórica e Experimental do século XX. 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 conceito de ‘antimatéria‘ como algo intrinsecamente relacionado ao vácuo;
2) provocou uma revisão do próprio conceito de partícula elementar;
3) consolidou uma nova concepção acerca da natureza quântico-relativística do spin;
4) permitiu a consolidação de uma Teoria Quântica de Campo (QED), capaz de muito bem descrever as relações da luz com a 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 constituintes últimos da matéria;
7) abriu novo capítulo na Eletrônica dos Semicondutores… (Bassalo & Caruso – ‘Dirac’) ***********************************************************************************

Principais descobertas sobre antimatéria no século XX:

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. ********************************************************************************

Semicondutores (exemplo prático)

Em certos materiais…com os quais são produzidos 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 maiores…chamada ‘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‘.

Um átomo chamado ‘positrônio’ 

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

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

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 (2 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 o processo é muito raro. 

O processo todo ocorre muito rapidamente…o positrônio dura, em média, cerca de 100 ns… sendo que, para haver a ‘conservação do momento‘, é necessário que os fótons tenham a mesma energia (portanto, 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… – 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‘.

No centro da Via Láctea há uma enorme fonte de antimatéria(set/2004)

Em 1997 – o satélite Compton GRO  (Gamma Ray Observatory) detectou, bem no centro da ‘Via Láctea‘…uma fonte muito grande de antimatéria.

Uma hipótese levantada para explicar a produção de antimatéria em grande escala aí… é a formação de elementos químicos por ‘explosões estelares‘.

Contudo, em 2003, coube ao satélite europeu “Integral” (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) observar com nitidez a fonte de antimatéria no centro da Via Láctea. Seus detetores de raios gama nos mostraram essas partículas, como provenientes de uma “fonte difusa”,   “não pontual”… — distribuindo-se ao longo de mais de 4 mil anos-luz.

Segundo José Antônio Freitas Pacheco, pesquisador do Observatório de Côte d’Azur:

“Se a antimatéria fosse pontual, como observada 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”.

Bombardeio atmosférico (outra evidência)                                                                            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 refinadas instalações do acelerador de partículas do CERN, os 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, estão constantemente entrando na ‘atmosfera terrestre’. – As suficientemente pequenas, logram escapar da destruição, porque as forças de atração produzidas entre átomos, acabam formando      uma barreira de proteção em torno da antimatéria.

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-se ‘raio 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-hélioDepois 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, na busca por melhores resultados, 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 encontradas no espaço’ (dez/2006) # Núcleo da Via Láctea tem jatos fantasmas de raios gama (jun/2012)  ###  ‘Antimatéria x matéria escura’ (set/2014)

Produção, Armazenamento & Aplicação

No Universo, a antimatéria é pouco frequente, mas pode ser criada mediante colisões de alta velocidade entre partículas de matéria. A antimatéria se produz também nas erupções solares, quando partículas, que se movem rapidamente devido à explosão, se chocam com outras mais lentas na 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, do laboratório do 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 “antipartículas“…  capturadas pelocampo 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!

Pósitrons de baixa energia são usados, frequentemente, em uma técnica radiológica aplicada à medicina… a ‘tomografia de pósitrons‘ … pelo decaimento natural de isótopos radioativos)…’Pósitrons’ também têm aplicação no estudo de materiais em circuitos eletrônicos.

A propulsão de antimatéria                                                                                                   Apesar de sua farta utilidade em aplicações médicas e na pesquisa de materiais, estes antielétrons não existem em número suficiente, para se poder criar uma forma útil de combustível de foguetes. Como então, a antimatéria ajudaria na exploração espacial?

A resposta reside na famosa equação de Einstein…E=mc². Quando a antimatéria aniquila a matéria normal, toda a massa das duas partículas é convertida em energia. A energia por partícula resultante dessa transformação… 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 superam, 300 vezes, a energia da fusão nuclear das estrelas. Será a propulsão mais eficiente jamais desenvolvida porque 100% da massa de matéria e antimatéria é convertida em energia… – Ao entrarem em contato, produzem uma explosão que emite radiação puraemanada à “velocidade da luz”, com ambas partículas totalmente aniquiladas, e suas massas virando ‘raios gama’.

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”. Como                                        não existe, naturalmente, ao nosso redor… – temos que criá-la…e                                          conservá-la… – o que não é nada fácil.

Componentes principais para um 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.

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Rumo à Júpiter, e além…                                                                                                        Seria humanamente possível fazer viagens a Júpiter… – e até mesmo,                                para além da ‘heliopausa’…o ponto no qual a radiação do sol termina.

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’ # Antimatéria poderá ser guardada em equipamento portátil ## Antimatéria é capturada pela 1ª vez ## ‘garrafa para guardar 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…os cientistas começaram a entender melhor os acontecimentos relacionados ao Big-Bang,       e, logo se deram conta de uma grande contradição.

A ‘fase inicial do universo se caracterizou por um colossal calor… e uma surpreendente uniformidade… com energia mais do 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’ tenha possibilitado o ‘simultâneo‘ aparecimento de partículas e antipartículas, que se uniram num 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 antipartículas…a 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 antimatéria…que poderia evitar aquela ‘orgia cósmica‘.

Porém, 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 que reações bem energéticas estão ocorrendo em pontos isolados, tal como no núcleo de algumas galáxias e quasares, criando assim antimatéria, que a seguir é aniquilada, mas não se crê, 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. E,  a certeza que se apresenta… é que o estudo da antimatéria tem condições de fornecer valiosas informações … a respeito da origem, e natureza da ‘matéria comum‘ … e da ‘energia escura‘… que juntas, formam a totalidade do Universo, visível e imaginário.

outras fontes ‘O que é Antimatéria?’ ‘Em busca da Antimatéria’ ‘O Higgs gera a massa de Tudo?’ # ‘Pesando a Antimatéria I’ # ‘Pesando a antimatéria II’ # ‘Como cai a antimatéria?’ # ‘Antimatéria brilha exatamente como matéria’‘Anti-tabela periódica’  *************************(texto complementar)*************************************

Matéria e Antimatéria em ‘Re(l)ação’ Química (out/2006)                                       

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]

A antimatéria só surge raramente; ou em laboratório – nos aceleradores de partículas – ou…em eventos naturais altamente ‘energéticos‘ (como…raios cósmicos atmosféricos). Isso porque, quando uma partícula encontra uma antipartícula … ambas se aniquilam instantaneamente… só 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“.  

Este objeto composto…naturalmente se aniquila – criando um número par de píons carregados como rastro. Normalmente… a aniquilação se dá em 1 trilionésimo de segundo, mas no aparato Athena (em condições de vácuo extremamente restritas) a duração é de 1 incrível milionésimo de segundo.

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‘… – o objetivo inicial da experiência.

Mas parece que a mesma configuração também produziu                              um tipo ainda mais peculiar de matéria — de acordo com                                  análises do “padrão de partículas” saídas do experimento.

Os pesquisadores acreditam 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 – o antipróton – e o íon molecular mais simples da matéria…        mais exatamente o H2+…(2 átomos de Hidrogênio com 1 elétron faltando)

Juntar esses 2 íons resulta em Protônio + 1 átomo neutro de Hidrogênio.

Esses sistemas ‘próton/antipróton‘ duraram apenas alguns microssegundos…mas, isso foi tempo suficiente para que muitos deles fluíssem para fora do núcleo do experimento antes de explodir. Isto 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).

O átomo de protônio já foi fabricado antes, em violentas colisões de partículas… Porém, o novo método químico poderá ser utilizado para fabricá-lo em quantidades muito maiores, possibilitando com isso… – inclusive – testar as atuais teorias da “física de partículas“; embora há quem diga que seu…curtíssimo tempo de vida… – tornará isso impossível.

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’  ********************************************************************************

Átomo de antimatéria medido pela primeira vez  (março/2012)

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

armadilha de antimatéria na experiência ALPHA no CERN mistura positrons e antiprotons para produzir anti-hidrogênio

Um átomo de anti-hidrogênio é análogo ao hidrogênio – o mais simples entre os elementos… Assim como o hidrogênio é composto de 1 próton…e 1 elétron – sua antipartícula é 1 antipróton e 1 pósitron.  Nesses testes…em frequência específica, aplicaram-se “raios de microondas” aos átomos de “anti-hidrogênio“, alterando seu ‘spin‘ (giro)… — Isso faz com que a “orientação magnética” da partícula se modifique… – e sua “prisão magnética” deixe de existir…Ou seja, o ‘anti-átomo’ fica livre para voar e acertar as paredes    da ‘armadilha’ … que é feita de matéria. Quando ele colide com um átomo…é aniquilado; criando um evento passível de deteção.

“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.

Espectro da antimatéria

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 extraque permitirá aos cientistas fazer a medição.

A teoria mais aceita sobre as partículas é o Modelo Padrão… por ela, nós sabemos que algo está faltando…E também, que não entendemos tudo sobre a antimatéria, porque 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 ajudar nisso concluiu Hangst. ‘texto base’ ‘Texto original’  *********************************************************************************

Matéria e antimatéria podem ser criadas do nada                                                    “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 da ‘Michigan University’, EUA… desenvolveu novas equações que descrevem como um “feixe de elétrons de alta energia”, combinado com um intenso pulso de laser, pode ‘rasgar’ o vácuo … liberando componentes fundamentais de matéria e antimatéria, desencadeando assim, eventos em cascata… na geração de pares adicionais, 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”. 

(fóton gama é uma partícula de luz de alta energia – e pósitron é um antielétron, partícula gêmea do elétron, com as mesmas propriedades, mas com carga positiva.)

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 experimento – preveem 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 todas as condições necessárias – um super laser…e          um acelerador de partículas…para testar a teoria. Mas, para Sokolov, o tema, em si,            já é fascinante…o suficiente… Como ele próprio explica:

“A questão básica do que é o vácuo – que não é o nada, vai além da ciência. Ela está profundamente incorporada… não apenas nos fundamentos da física teórica – mas também…dentro da nossa percepção filosófica do mundo.”  (texto base … dez/2010) *******************************************************************************

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)

interacoes-luz-materia

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.

Em essência, o experimento deverá 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 – efetivamente assim…  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, 2 fótons se chocando, produzindo…matéria e antimatéria — isto é… 1 elétron … e 1 ‘pósitron’.  O trabalho agora realizado também é teórico… mas, com a vantagem de criar um ‘experimento‘ — incluindo somente tecnologias já existentes… para construir 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 e antimatéria criadas a laser

A interação entre luz e 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…

Igor Kostyukov e Evgeny Nerush, membros 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“.  Ou seja — eles calcularam como fazer para criar matéria e antimatéria…usando lasers.

Não parece de todo estranho para quem está acostumado com a criação de matéria a partir do vácuo quântico, mas agora os físicos não estão falando apenas de fótons…mas de elétrons e pósitrons (antipartículas dos elétrons).

Produção de matéria e antimatéria do “nada”

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, em que as partículas não são diretamente observáveis, a um estado real.

A coisa deverá funcionar da seguinte forma… – o forte campo elétrico injetado pelo laser causará grandes perdas de radiação pelos elétrons de uma placa 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 e processos quânticos.

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

Cascata quântica

Mesmo já existindo – diversos “experimentos de laboratório” comprovando a geração de luz e matéria a partir do vácuo… a nova teoria, ainda incompleta, depende de outro fenômeno… mais conhecido como “cascata eletrodinâmica quântica”…um tipo de “reação independente”, desconhecida…que aguarda os instrumentos adequados à sua observação em laboratório. Os físicos dizem que…elucidaram a fase inicial do fenômeno…na qual os pares elétron-pósitron produzidos não interferem significativamente na interação entre o laser e a folha metálica. – E o físico Kostyukov aproveitou para ainda explicar que:

“Agora estamos explorando o estágio não-linear, quando o plasma gerado de elétrons e pósitrons modifica a interação. E, nós vamos tentar expandir os resultados às configurações mais gerais das interações laser/matéria e outros regimes interativos, considerando uma faixa de parâmetros maior”.

Assim… quando esses experimentos puderem ser realizados, o fenômeno da geração de matéria e antimatéria pelo laser será importante, não só em pesquisas fundamentais de física e produção de antimatéria, mas também em fontes de plasma…e, feixes de fótons        e pósitrons, em intensidade muito superior a dos atuais aceleradores. 2016 (texto base)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
Esse post foi publicado em astronomia, cosmologia, física e marcado , . Guardar link permanente.

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 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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