Os objetos do Universo - galáxias, estrelas, quasares, planetas, supernovas, animais e pessoas - são compostos de matéria. É formado por várias partículas elementares - quarks, léptons, bósons. Mas descobriu-se que existem partículas nas quais uma parte das características coincide completamente com os parâmetros dos "originais", e a outra tem os valores opostos. Esta propriedade levou os cientistas a dar ao agregado de tais partículas o nome geral de "antimatéria".
Também ficou claro que estudar esta substância misteriosa é muito mais difícil do que registrar. Antipartículas em estado estável ainda não foram encontradas na natureza. O problema é que a matéria e a antimatéria se aniquilam (aniquilam-se mutuamente) ao "contato". É perfeitamente possível obter antimatéria em laboratório, embora seja bastante difícil contê-la. Até agora, os cientistas só conseguiram fazer isso por alguns minutos.
Segundo a teoria, o Big Bang deveria ter produzido o mesmo número de partículas e antipartículas. Mas se matéria e antimatéria se aniquilam uma com a outra, então deveriam ter deixado de existir ao mesmo tempo. Por que o universo existe?
“Mais de 60 anos atrás, a teoria dizia que todas as propriedades das antipartículas coincidem com as propriedades das partículas comuns no espaço refletido no espelho. Porém, na primeira metade da década de 60, descobriu-se que em alguns processos essa simetria não era satisfeita. Desde então, muitos modelos teóricos foram criados, dezenas de experimentos foram realizados para explicar este fenômeno. Agora, as teorias mais desenvolvidas são que a diferença na quantidade de matéria e antimatéria está associada à chamada violação da simetria CP (das palavras carga - "carga" e paridade - "paridade"). Mas ninguém sabe ainda uma resposta confiável para a questão de por que há mais matéria do que antimatéria”, explica Alexey Zhemchugov, professor associado do Departamento de Problemas Fundamentais e Aplicados de Física do Micromundo do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou.
A história da antimatéria começou com a equação de movimento do elétron, que tinha soluções em que possuía energia negativa. Como os cientistas não conseguiam imaginar o significado físico da energia negativa, eles "inventaram" um elétron com carga positiva, chamando-o de "pósitron".
Ele se tornou a primeira antipartícula descoberta experimentalmente. A instalação, registrando os raios cósmicos, mostrou que a trajetória do movimento de algumas partículas em um campo magnético é semelhante à trajetória de um elétron - apenas eles se desviaram na direção oposta. Em seguida, o par meson-antimeson foi descoberto, o antiproton e antineutron foram registrados, e então os cientistas foram capazes de sintetizar o antihidrogênio e o núcleo do antihelium.
Trajetórias de movimento de um elétron e um pósitron em um campo magnético / Ilustração de RIA Novosti. Alina Polyanina
O que todos esses "anti" significam? Normalmente usamos esse prefixo para denotar o fenômeno oposto. Quanto à antimatéria - pode incluir análogos de partículas elementares que possuem carga oposta, momento magnético e algumas outras características. Claro, todas as propriedades de uma partícula não podem ser revertidas. Por exemplo, a massa e o tempo de vida devem permanecer sempre positivos, focando neles, as partículas podem ser atribuídas a uma categoria (por exemplo, prótons ou nêutrons).
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Se compararmos um próton e um antipróton, então algumas de suas características são as mesmas: a massa de ambos é 938,2719 (98) megaeletronvolt, spin ½ (spin é chamado de momento angular intrínseco de uma partícula, que caracteriza sua rotação, enquanto a própria partícula está em repouso). Mas a carga elétrica do próton é 1, e o antipróton tem menos 1, o número bárion (ele determina o número de partículas de interação forte consistindo em três quarks) é 1 e menos 1, respectivamente.
Próton e antipróton / Ilustração de RIA Novosti. Alina Polyanina
Algumas partículas, como o bóson de Higgs e o fóton, não têm anti-análogos e são chamadas de neutras verdadeiras.
A maioria das antipartículas, junto com as partículas, aparecem em um processo denominado emparelhamento. A formação de tal par requer alta energia, ou seja, uma velocidade tremenda. Na natureza, as antipartículas surgem quando os raios cósmicos colidem com a atmosfera terrestre, dentro de estrelas massivas, ao lado de pulsares e núcleos galácticos ativos. Os cientistas usam aceleradores-aceleradores para isso.
Seção de aceleração do Grande Colisor de Hádrons, onde as partículas são aceleradas / Foto: CERN
O estudo da antimatéria tem aplicações práticas. A questão é que a aniquilação da matéria e da antimatéria gera fótons de alta energia. Digamos que pegemos um banco de prótons e antiprótons e comecemos gradualmente a liberá-los um em direção ao outro através de um tubo especial, literalmente um de cada vez. A aniquilação de um quilograma de antimatéria libera a mesma quantidade de energia da queima de 30 milhões de barris de petróleo. Cento e quarenta nanogramas de antiprótons seriam o bastante para um vôo a Marte. O problema é que é preciso ainda mais energia para gerar e reter a antimatéria.
Porém, a antimatéria já é usada na prática, na medicina. A tomografia por emissão de pósitrons é usada para diagnósticos em oncologia, cardiologia e neurologia. O método é baseado na entrega de matéria em decomposição com a emissão de um pósitron para um órgão específico. Por exemplo, uma substância que se liga bem às células cancerosas pode atuar como um transporte. Na área desejada, ocorre o aumento da concentração de isótopos radioativos e, conseqüentemente, pósitrons de sua decomposição. Os pósitrons se aniquilam imediatamente com os elétrons. E podemos fixar o ponto de aniquilação registrando gamma quanta. Assim, com o auxílio da tomografia por emissão de pósitrons, é possível detectar um aumento da concentração da substância de transporte em um determinado local.
