A antimatéria é como uma substância em todos os sentidos. Eles foram formados simultaneamente e de uma fonte. Como resultado, há muito um e praticamente nenhum. Deve haver alguma explicação para isso.
Tudo com que entramos em contato em nossa vida é feito de matéria. O copo que seguramos em nossas mãos consiste em moléculas, moléculas - de átomos, átomos, ao contrário do seu nome ("átomo" em grego significa "indivisível") - de elétrons, prótons e nêutrons. Os dois últimos são chamados de "bárions" pelos cientistas. Eles podem ser divididos ainda mais, em quarks, e talvez até mais, mas por enquanto vamos nos alongar sobre isso. Juntos, eles formam a matéria.
Como todos os nossos leitores sabem, a matéria tem um antípoda - a antimatéria. Quando eles entram em contato, eles aniquilam com a liberação de uma energia muito grande - eles aniquilam. De acordo com os cálculos dos físicos, um pedaço de antimatéria do tamanho de um tijolo, atingindo a Terra, pode causar um efeito semelhante ao da explosão de uma bomba de hidrogênio. Em todos os outros aspectos, os antípodas são semelhantes: a antimatéria tem massa, as leis da física se aplicam totalmente a ela, mas sua carga elétrica é oposta. Para um antipróton é negativo, e para um pósitron (antielétron) é positivo. E também a antimatéria praticamente não ocorre na realidade que nos cerca.
A busca por antimatéria
Ou está em algum lugar lá? Não há nada impossível em tal suposição, mas vivemos no mundo, embora não possamos apertar a mão de nossos antípodas. É bem possível que também vivam em algum lugar.
Provavelmente todas as galáxias observadas hoje são compostas de matéria comum. Caso contrário, seus limites seriam uma zona de aniquilação quase contínua com a matéria circundante, seria visível de longe. Os observatórios da Terra registrariam os quanta de energia formados durante a aniquilação. Até que isso aconteça.
A evidência da presença de quantidades perceptíveis de antimatéria no Universo poderia ser a descoberta em algum lugar do espaço (na Terra, devido à alta densidade da matéria, é claramente inútil procurar núcleos de antiélio). Dois antiprótons, dois antinêutrons. As antipartículas que compõem esse núcleo são produzidas regularmente em colisões de partículas de alta energia em aceleradores terrestres e naturalmente quando a matéria é bombardeada por raios cósmicos. A descoberta deles não nos diz nada. Mas o antihélio pode ser formado da mesma maneira se quatro de suas partículas constituintes nascerem simultaneamente em um lugar. Isso não pode ser chamado de completamente impossível, mas tal evento em todo o Universo acontece cerca de uma vez a cada quinze bilhões de anos, o que é bastante comparável com o tempo de sua existência.
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Preparação para o lançamento de um balão com detector de partículas espaciais como parte do experimento BESS. O detector é visível em primeiro plano e pesa 3 toneladas. / & cópia de; i.wp-b.com
Portanto, a detecção do anti-hélio pode muito bem ser considerada, senão uma saudação dos antípodas, pelo menos uma evidência de que em algum lugar nas profundezas do espaço, um pedaço de antimatéria de tamanho decente está flutuando. Então, ele voou de lá.
Infelizmente, as repetidas tentativas de busca de anti-hélio nas camadas superiores da atmosfera terrestre ou na abordagem a ela ainda não trouxeram sucesso. Claro, esse é o caso quando "a ausência de vestígios de pólvora nas mãos nada prova". Pode muito bem ser que era apenas muito longe para voar (na ordem de bilhões de anos-luz), e entrar em um pequeno detector em um pequeno planeta é ainda mais difícil. E com certeza, se o detector fosse mais sensível (e mais caro), nossas chances de sucesso seriam maiores.
As antiestrelas, se estivessem na natureza, no curso das reações termonucleares gerariam o mesmo fluxo de antineutrinos que as estrelas comuns - o fluxo de suas antípodas. Os mesmos antineutrinos devem ser formados durante as explosões de antisupernova. Até agora, nem um nem outro foi descoberto, mas deve-se notar que a astronomia de neutrinos geralmente está dando seus primeiros passos.
Detector Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Canadá. / & cópia de; squarepace.com
Em qualquer caso, ainda não temos informações confiáveis sobre a existência de qualquer quantidade apreciável de antimatéria no Universo.
Isso é bom e ruim ao mesmo tempo. É ruim porque, de acordo com os conceitos modernos, nos primeiros momentos após o Big Bang se formaram a matéria e a antimatéria. Posteriormente, eles se aniquilaram, dando origem a radiação cósmica remanescente. O número de fótons nele é muito grande, é cerca de um bilhão de vezes maior do que o número de bárions (ou seja, prótons e nêutrons) no Universo. Em outras palavras, em algum momento, no início dos tempos, a substância no Universo acabou sendo um bilionésimo a mais que a antimatéria. Então, todos os "supérfluos" desapareceram, aniquilados, e sobrou um bilhão de ações. O resultado é o que é chamado de assimetria bariônica na literatura especial.
Para os físicos, o desequilíbrio é um problema porque precisa ser explicado de alguma forma. Pelo menos no caso de objetos que em todos os outros aspectos se comportam simetricamente.
E para nós (incluindo os físicos) isso é bom, porque com as mesmas quantidades de matéria e antimatéria, ocorreria a aniquilação completa, o Universo ficaria vazio e não haveria ninguém para fazer perguntas.
Termos de Sakharov
Os cientistas perceberam a existência de um grande problema cosmológico em meados do século XX. As condições em que o Universo se torna o que o vemos foram formuladas por Andrei Sakharov em 1967 e, desde então, têm sido um "lugar comum" da literatura temática, pelo menos em russo e inglês. De uma forma altamente simplificada, eles se parecem com isso.
Primeiro, sob algumas condições, que provavelmente existiam no início do Universo, as leis da física ainda funcionam de maneira diferente para a matéria e a antimatéria.
Em segundo lugar, neste caso, o número de bárions não pode ser conservado, ou seja, o número de bárions após a reação não é igual ao anterior.
Terceiro, o processo deve prosseguir de forma explosiva, ou seja, deve estar em desequilíbrio. Isso é importante porque, em equilíbrio, as concentrações de substâncias tendem a se igualar e precisamos obter algo diferente.
A. D. Sakharov, final dos anos 1960. / & cópia de; thematicnews.com
É aqui que termina a parte geralmente aceita da explicação, e então as hipóteses reinam em meio século. O mais confiável no momento conecta o incidente com a interação eletrofraca. Vamos dar uma olhada nela.
Espaço de ebulição
Para explicar o que aconteceu à nossa matéria, teremos que forçar nossa imaginação e imaginar que existe um determinado campo no Universo. Ainda não sabemos nada sobre sua existência e propriedades, exceto que está associada à distribuição de matéria e antimatéria no espaço e é em certa medida semelhante à temperatura a que estamos acostumados, em particular, pode assumir valores maiores e menores, até certo nível, que podem ser comparados ponto de ebulição.
Inicialmente, a matéria no universo está em um estado misto. Está muito “quente” por aí - as aspas poderiam ser omitidas aqui, já que a temperatura usual também é muito alta, mas estamos falando de seu análogo imaginário. Este análogo "ferve" - o valor máximo.
À medida que o espaço se expande, “gotas” começam a se condensar a partir do “vapor” inicial, no qual é “mais frio”. Até agora, tudo parece exatamente igual à água - se o vapor superaquecido estiver em um recipiente, cujo volume aumenta com rapidez suficiente, ocorre o resfriamento adiabático. Se for forte o suficiente, parte da água cairá como um líquido.
Água condensada do vapor. / & cópia de; 3.bp.blogspot.com
Algo semelhante acontece com a matéria no espaço. Conforme o volume do Universo cresce, o número e o tamanho das "gotas" aumentam. Mas então começa algo que não tem analogias no mundo a que estamos acostumados.
As condições de penetração das partículas e antipartículas nas "gotas" não são as mesmas, é um pouco mais fácil para as partículas fazerem. Como resultado, a igualdade inicial de concentrações é violada, no "líquido" condensado há um pouco mais de substância, e na "fase de ebulição" - seu antípoda. Neste caso, o número total de bárions permanece inalterado.
E então, na "fase de ebulição", os efeitos quânticos dos campos eletrofracos em interação começam a agir, o que, ao que parece, não deve alterar o número de bárions, mas na realidade igualar o número de partículas e antipartículas. A rigor, este processo também ocorre em “gotas”, mas aí é menos eficaz. Assim, o número total de antipartículas é reduzido. Isso está escrito de forma breve e, claro, muito simplificado, na verdade, tudo é muito mais interessante, mas não vamos entrar em teoria profunda agora.
Dois efeitos revelam-se fundamentais para explicar a situação. A anomalia quântica das interações eletrofracas é um fato observado, foi descoberto em 1976. A diferença na probabilidade de partículas penetrarem na zona de condensação é um fato calculado e, portanto, hipotético. O próprio campo, que "ferve" e depois esfria, ainda não foi detectado. Ao formar a teoria, presumiu-se que este era o campo de Higgs, mas após a descoberta do famoso bóson, descobriu-se que não tinha nada a ver com ele. É bem possível que sua abertura ainda esteja esperando nos bastidores. Ou talvez não - e então os cosmologistas terão que inventar outras explicações. O universo está esperando por isso há quinze bilhões de anos, pode esperar outro.
Sergey Sysoev
