Dois artigos publicados esta semana mostram as origens desconcertantes e os usos potenciais da antimatéria, um tipo de matéria que inverte as regras que regem a matéria comum.
Um papel, publicado hoje no JCAP, descobriu que os antinúcleos dos raios cósmicos podem ser um indicador de um tipo específico de matéria escura. Em um artigo separado, publicado no início desta semana, na AIP Advances, os pesquisadores descrevem um método para detectar a localização e a atividade dos reatores nucleares usando antineutrinos produzidos pelas reações nucleares das instalações.
A antimatéria é importante porque pode ajudar a explicar mistérios cósmicos fundamentais, como por que o universo é feito de matéria em vez de uma mistura igual de matéria e antimatéria. Estes estudos enquadram-se num esforço maior para resolver alguns dos maiores enigmas da física, incluindo a natureza da matéria escura, a física nas escalas mais pequenas e possivelmente até a origem do próprio universo.
Apesar do nome, a antimatéria é literalmente matéria. Tem massa. Antimatéria refere-se a um grupo de partículas que possuem cargas elétricas opostas às de suas contrapartes comuns. Você já ouviu falar de elétrons (que têm carga negativa) e prótons (que têm carga positiva); suas contrapartes de antimatéria são pósitrons (com carga positiva) e um antipróton (carga negativa).
Embora existam diferenças na carga das partículas, a antimatéria não é totalmente estranha às forças fundamentais. No ano passado, uma equipa de físicos descobriu que a antimatéria reage à gravidade da mesma forma que a matéria normal, uma descoberta que confirmou tanto Einstein como o Modelo Padrão da Física de Partículas.
Algo mais semelhante à ideia de “antimatéria” que você pode ter na cabeça é a matéria escura – que também tem massa – mas é invisível para todos os tipos de detectores que a humanidade criou até agora. Os cientistas sabem que a matéria escura existe porque os seus efeitos gravitacionais são visíveis, embora a partícula (ou partículas!) responsável não possa ser observada diretamente.
A antimatéria continua sendo uma questão de confusão (desculpe, trocadilho horrível) por alguns motivos. Conforme explicado pelo Gizmodo em 2022:
O universo surgiu há 14 bilhões de anos, com um Big Bang que, em teoria, deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria. Mas olhe ao seu redor ou veja as últimas imagens do telescópio Webb: vivemos em um universo dominado pela matéria. Uma questão pendente em física é o que aconteceu com toda a antimatéria.
A antimatéria e a matéria escura se encaixam perfeitamente no recente artigo do JCAP, que postula que a quantidade de antimatéria detectada por experimentos é maior do que deveria – e eles acreditam que a matéria escura é a culpada.
Algumas partículas diferentes (e outros objetos mais exóticos) foram postuladas como responsáveis pela matéria escura. Entre eles: áxions, partícula que leva o nome de sabão em pó; Objetos Halo compactos massivos, ou MACHOs; fótons escuros, que apesar do nome são mais parecidos com áxions do que com alguma versão insidiosa de luz; e buracos negros primordiais, que seriam minúsculos buracos negros nascidos no início do universo, flutuando pelo espaço.
A pesquisa recente concentra-se em outro tipo – Partículas Massivas de Interação Fraca, ou WIMPs – como parte culpada. A teoria é essencialmente que quando os WIMPs colidem, por vezes aniquilam-se – destroem-se uns aos outros – emitindo energia e partículas de matéria e antimatéria.
Na pesquisa de 2022 mencionada, uma equipe de físicos usando o experimento ALICE no CERN descobriu que a antimatéria poderia viajar através de nossa galáxia com facilidade, em vez de ser extinta pela matéria no meio interestelar, uma conclusão redentora para detectores de antinúcleos como o AMS-02. experimento a bordo da Estação Espacial Internacional.
“As previsões teóricas sugeriam que, embora os raios cósmicos possam produzir antipartículas através de interações com o gás no meio interestelar, a quantidade de antinúcleos, especialmente antihélio, deveria ser extremamente baixa”, disse Pedro De la Torre Luque, físico do Instituto de Teoria Teórica. Físicos em Madrid e autor principal do artigo JCAP, num SISSA Medialab liberar.
“Esperávamos detectar um evento antihélio a cada poucas dezenas de anos, mas os cerca de dez eventos antihélio observados pelo AMS-02 são muitas ordens de magnitude superiores às previsões baseadas nas interações padrão de raios cósmicos”, acrescentou De la Torre Luque. “É por isso que estes antinúcleos são uma pista plausível para a aniquilação do WIMP.”
No entanto, De la Torre Luque acrescentou que os WIMPs só poderiam explicar a quantidade de antihélio-3 – um isótopo de antimatéria detectado pelo AMS-02 – e não detectaram quantidades do antihélio-4, mais raro e pesado. Por outras palavras, mesmo que os WIMP sejam responsáveis pela matéria escura, eles não contam toda a história.
Os WIMPs podem ser responsáveis pelas detecções de antimatéria que os detectores espaciais estão coletando. Mas independentemente da questão da matéria escura – que levará muito tempo a responder – a concepção de um detector farejador de antimatéria para monitorizar reactores nucleares na Terra mostra aplicações práticas aqui e agora. Em conjunto, estas descobertas sobre a antimatéria poderão oferecer novas formas de aproveitar as estranhas propriedades do Universo para utilização prática, ao mesmo tempo que nos ajudam a compreender melhor tanto o cosmos como o nosso próprio planeta.