Espectro de luz da antimatéria é observado

A experiência ALPHA observa pela primeira vez o espectro de luz da antimatéria.

© Chukman So (nuvem de átomos de anti-hidrogênio)

A colaboração ALPHA relata a primeira medição sobre o espectro óptico de um átomo de antimatéria. Esta conquista apresenta desenvolvimentos tecnológicos que abrem uma era completamente nova na pesquisa de alta precisão da antimatéria. É o resultado de mais de 20 anos de trabalho da comunidade da antimatéria no CERN.

“Usar um laser para observar uma transição no anti-hidrogênio e compará-la ao hidrogênio para ver se obedecem às mesmas leis da física tem sido sempre um objetivo chave da pesquisa da antimatéria,” declarou Jeffrey Hangst, porta-voz da colaboração da experiência ALPHA.

Os átomos consistem em nuvens de elétrons nos orbitais de um núcleo. Quando os elétrons se movem de uma camada de um orbital para outro, absorvem ou emitem luz em comprimentos de onda específicos, formando o espectro do átomo. Cada elemento tem um espectro único. Em resultado, a espectroscopia é uma ferramenta habitualmente usada em muitas áreas da física, da astronomia e da química. Ajuda a caracterizar átomos e moléculas e os seus estados internos. Por exemplo, na astrofísica, a análise do espectro de luz de estrelas longínquas permite aos cientistas determinar a sua composição.

Com o seu único próton e único elétron, o hidrogênio é o átomo mais abundante, mais simples e melhor compreendido do Universo. O seu espectro foi medido com uma precisão muito elevada. Por outro lado, os átomos de anti-hidrogênio são mal compreendidos.

Dado que o Universo parece consistir inteiramente de matéria, os constituintes dos átomos do anti-hidrogênio (antiprótons e posítrons) têm que ser produzidos e montados nos átomos antes que o espectro do anti-hidrogênio possa ser medido. É um processo cuidadoso, mas vale a pena o esforço, uma vez que qualquer diferença mensurável entre os espectros de hidrogênio e de anti-hidrogênio poderia romper princípios básicos da física e, provavelmente, ajudar a entender o quebra-cabeças da assimetria matéria-antimatéria, o maior desequilíbrio e um dos maiores enigmas do Universo.

O resultado da experiência ALPHA é a primeira observação de uma linha espectral de um átomo de anti-hidrogênio, permitindo que o espectro de luz da matéria e da antimatéria sejam comparados pela primeira vez. Dentro dos limites experimentais, o resultado não mostra diferença em relação à linha espectral equivalente no hidrogênio.

Isso é consistente com o Modelo Padrão de Física de Partículas, a teoria que melhor descreve as partículas e as forças em ação entre elas, que prediz que hidrogênio e o anti-hidrogênio devem ter características espectroscópicas idênticas.

A colaboração ALPHA espera melhorar a precisão de suas medições no futuro. A medição do espectro do anti-hidrogênio com alta precisão oferece uma nova e extraordinária ferramenta para testar se a matéria se comporta de forma diferente da antimatéria e, assim, testar ainda mais a robustez e a fiabilidade do Modelo Padrão.

ALPHA é uma experiência única nas instalações do Antiproton Decelerator no CERN, e é capaz de produzir átomos de anti-hidrogênio e de mantê-los numa armadilha magnética especialmente projetada, manipulando anti-átomos, uns tantos de cada vez. Armadilhar átomos de anti-hidrogênio permite que estes sejam estudados utilizando laseres ou outras fontes de radiação.

“Mover e armadilhar antiprótons ou posítrons é fácil porque são partículas com carga elétrica”, explicou Hangst. “Mas quando se combinam os dois, obtém-se anti-hidrogênio neutro, que é muito mais difícil de capturar, então concebemos uma armadilha magnética muito especial que se baseia no fato do anti-hidrogênio ser ligeiramente magnético.”

O anti-hidrogênio é produzido misturando plasmas de cerca de 90.000 antiprótons do Antiproton Decelerator com posítrons, resultando na produção de cerca de 25.000 átomos de anti-hidrogênio por cada tentativa. Os átomos de anti-hidrogênio podem ser capturados caso estejam se movendo lentamente, quando são gerados.

Usando uma nova técnica pela qual a colaboração empilha anti-átomos resultantes de dois ciclos de mistura sucessivos, é possível capturar em média 14 anti-átomos por ensaio, em comparação com apenas 1,2 com os métodos anteriores. Ao iluminar os átomos presos com um feixe de laser numa frequência sintonizada com precisão, os cientistas podem observar a interação do feixe com os estados internos de anti-hidrogênio.

A medição foi feita observando-se a chamada transição 1S-2S. O estado 2S no hidrogênio atômico é de longa duração, levando a uma largura estreita da linha natural, efeito pelo qual se mostra particularmente adequado para a medição de precisão.

O resultado atual, juntamente com os limites recentes na proporção da massa antipróton-elétrons estabelecida pela colaboração ASACUSA e a relação carga-massa antipróton determinada pela colaboração BASE, demonstram que os testes de simetrias fundamentais com a antimatéria no CERN estão amadurecendo rapidamente.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista Nature.

Fonte: CERN