Por que existimos? Esta é talvez a questão mais profunda que pode parecer completamente fora do escopo da física de partículas. Mas nosso novo experimento no Grande Colisor de Hádrons do CERN nos aproximou da resposta. Para entender por que existimos, primeiro você precisa ir 13,8 bilhões de anos atrás, na época do Big Bang. Esse evento produziu uma quantidade igual da substância de que somos feitos e da antimatéria.
Acredita-se que cada partícula tenha um parceiro de antimatéria, que é quase idêntico a ela, mas com carga oposta. Quando uma partícula e sua antipartícula se encontram, elas se aniquilam - desaparecem em um flash de luz.
Onde está toda a antimatéria?
Por que o universo que vemos é composto inteiramente de matéria é um dos maiores mistérios da física moderna. Se existisse uma quantidade igual de antimatéria, tudo no universo seria aniquilado. E assim, um estudo publicado recentemente parece ter encontrado uma nova fonte de assimetria entre matéria e antimatéria.
Arthur Schuster foi o primeiro a falar sobre antimatéria em 1896, depois em 1928 Paul Dirac deu-lhe uma base teórica e em 1932 Karl Anderson a descobriu na forma de anti-elétrons, que são chamados de pósitrons. Os pósitrons nascem em processos radioativos naturais, como a decomposição do potássio-40. Isso significa que uma banana comum (contendo potássio) emite um pósitron a cada 75 minutos. Em seguida, ele se aniquila com os elétrons da matéria, produzindo luz. Aplicações médicas como scanners PET também produzem antimatéria em um processo semelhante.
Os principais blocos de construção da substância de que os átomos são compostos são partículas elementares - quarks e léptons. Existem seis tipos de quarks: up, down, estranho, charmed, true e beautiful. Da mesma forma, existem seis léptons: elétron, múon, tau e três tipos de neutrinos. Existem também cópias antimateriais dessas doze partículas, que diferem apenas em sua carga.
Partículas de antimatéria, em princípio, devem ser a imagem espelhada perfeita de seus satélites normais. Mas os experimentos mostram que nem sempre é o caso. Tome, por exemplo, partículas conhecidas como mésons, que são formadas por um quark e um antiquark. Os mésons neutros têm uma característica incrível: eles podem se transformar espontaneamente em seus anti-mésons e vice-versa. Nesse processo, um quark se transforma em um antiquark ou um antiquark em um quark. No entanto, experimentos mostraram que isso pode acontecer com mais frequência em uma direção do que em outra - como resultado, com o tempo há mais matéria do que antimatéria.
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A terceira vez é mágica
Entre as partículas contendo quarks, tais assimetrias foram encontradas apenas em quarks estranhos e bonitos - e essas descobertas tornaram-se extremamente importantes. A primeira observação de assimetria envolvendo partículas estranhas em 1964 permitiu aos teóricos predizer a existência de seis quarks - em uma época em que apenas três eram conhecidos. A descoberta da assimetria em belas partículas em 2001 foi a confirmação final do mecanismo que levou à imagem dos seis quark. Ambas as descobertas ganharam prêmios Nobel.
Tanto os quarks estranhos quanto os belos carregam cargas elétricas negativas. O único quark carregado positivamente que, em teoria, deveria ser capaz de formar partículas que podem exibir a assimetria de matéria e antimatéria é o encantado. A teoria sugere que ele faz isso, seu efeito deve ser insignificante e difícil de encontrar.
Mas o experimento LHCb no Large Hadron Collider foi capaz de observar essa assimetria em partículas chamadas mésons D, que são compostas de quarks encantados - pela primeira vez. Isso é possível devido à quantidade sem precedentes de partículas encantadas produzidas diretamente em colisões no LHC. O resultado mostra que a probabilidade de se tratar de uma flutuação estatística é de 50 por bilhão.
Se essa assimetria não nasce do mesmo mecanismo que leva às assimetrias de quarks estranhos e belos, há espaço para novas fontes de assimetria de matéria-antimatéria, que poderiam se somar à assimetria geral daqueles do Universo. E isso é importante, uma vez que vários casos conhecidos de assimetria não podem explicar por que existe tanta matéria no universo. A descoberta do quark encanto por si só não será suficiente para resolver esse problema, mas é uma peça importante do quebra-cabeça para entender as interações fundamentais das partículas.
Próximos passos
Essa descoberta será acompanhada de um aumento no número de trabalhos teóricos que auxiliam na interpretação do resultado. Mas, o mais importante, ela irá delinear testes adicionais para aprofundar nossa compreensão de nossa descoberta - e alguns desses testes já estão em andamento.
Na próxima década, o experimento LHCb atualizado aumentará a sensibilidade de tais medições. Ele será complementado pelo experimento Belle II no Japão, que está apenas começando.
A antimatéria também está no centro de vários outros experimentos. Antiatomas inteiros são produzidos no Moderador de Antiprótons do CERN e fornecem uma variedade de experimentos de medição altamente precisos. O experimento AMS-2 a bordo da Estação Espacial Internacional está em busca de antimatéria derivada do espaço. Uma série de experimentos atuais e futuros serão dedicados à questão de saber se existe uma assimetria matéria-antimatéria entre os neutrinos.
Embora ainda não possamos desvendar totalmente o mistério da assimetria da matéria e da antimatéria, nossa última descoberta abriu as portas para uma era de medições precisas que podem revelar fenômenos ainda desconhecidos. Há todas as razões para acreditar que um dia os físicos serão capazes de explicar porque estamos aqui.
Ilya Khel
