Antimateria: O Universo Espelho
A antimateria parece algo saido da ficcao cientifica, mas e uma realidade bem estabelecida da fisica de particulas. Cada particula de materia comum tem uma antiparticula correspondente com massa identica mas carga e numeros quanticos opostos. Quando materia e antimateria se encontram, aniquilam-se mutuamente numa explosao de energia pura, tornando a antimateria simultaneamente uma das substancias mais fascinantes e mais perigosas concebiveeis.
O Que e a Antimateria
A existencia da antimateria foi prevista pela primeira vez em 1928 pelo fisico britanico Paul Dirac, cuja equacao que descreve o comportamento dos eletrons implicava a existencia de um equivalente com carga positiva. Este antieletrao, ou positrao, foi descoberto experimentalmente por Carl Anderson em 1932, confirmando a teoria de Dirac e rendendo a ambos os cientistas Premios Nobel. Desde entao, os fisicos identificaram antiparticulas para todas as particulas conhecidas. O antiprotao tem carga negativa em vez de positiva, o antineutrao tem propriedades magneticas invertidas e os antiquarks possuem cargas de cor opostas. Em principio, as antiparticulas podem combinar-se para formar anti-atomos: em 1995, cientistas do CERN criaram os primeiros atomos de anti-hidrogenio ao combinar antiprotoes com positroes. Estes anti-atomos comportam-se como imagens espelhadas dos seus equivalentes de materia, governados pelas mesmas leis fisicas mas com cargas invertidas.
Como a Antimateria e Produzida
A antimateria e extraordinariamente rara no nosso universo, mas pode ser produzida artificialmente em aceleradores de particulas. O processo tipicamente envolve:
- Acelerar protoes ou eletrons a velocidades proximas da luz usando campos eletromagneticos poderosos
- Colidir estas particulas de alta energia com um alvo fixo ou com outras particulas que viajam na direcao oposta
- Converter a energia cinetica da colisao em pares particula-antiparticula de acordo com a equacao de Einstein E=mc ao quadrado
- Separar as antiparticulas da materia comum usando campos magneticos, uma vez que particulas carregadas curvam em direcoes opostas
- Capturar antiparticulas em garrafas magneticas chamadas armadilhas de Penning, que as suspendem em vacuo para evitar contacto com materia
A antimateria tambem ocorre naturalmente. Os positroes sao produzidos durante certos tipos de decaimento radioativo, e colisoes de raios cosmicos na atmosfera superior geram pequenas quantidades de antiparticulas. Os scanners PET nos hospitais detetam os raios gama produzidos quando positroes de um tracador radioativo se aniquilam com eletrons no corpo do paciente.
A Assimetria Materia-Antimateria
Um dos maiores problemas nao resolvidos da fisica e porque e que o universo e feito quase inteiramente de materia. O Big Bang deveria ter produzido quantidades iguais de materia e antimateria, que se teriam aniquilado completamente, deixando um universo de radiacao pura e sem atomos, estrelas ou galaxias. Claramente, uma ligeira assimetria surgiu no universo primitivo, aproximadamente uma particula de materia extra por cada mil milhoes de pares materia-antimateria. Esta assimetria esta relacionada com um fenomeno chamado violacao CP, onde as leis da fisica tratam materia e antimateria de forma ligeiramente diferente. Embora a violacao CP tenha sido observada em experiencias com particulas, a quantidade detetada ate agora e insuficiente para explicar o desequilibrio observado, sugerindo que fisica adicional alem do Modelo Padrao deve estar em acao.
Potenciais Aplicacoes
Se a antimateria pudesse ser produzida e armazenada em quantidades suficientes, as suas aplicacoes seriam transformadoras. A aniquilacao materia-antimateria converte massa em energia com 100 por cento de eficiencia, comparado com menos de 1 por cento para a fissao nuclear. Um unico grama de antimateria a reagir com um grama de materia libertaria energia equivalente a cerca de 43 quilotoneladas de TNT. Isto levou a propostas teoricas de naves espaciais movidas a antimateria capazes de alcancar estrelas proximas dentro de uma vida humana. Na medicina, a tomografia por emissao de positroes ja utiliza antimateria para imagiologia de diagnostico. No entanto, os metodos de producao atuais sao esmagadoramente ineficientes e dispendiosos, com estimativas que colocam o custo de um unico grama de anti-hidrogenio em aproximadamente 60 bilioes de dolares. Tornar a antimateria pratica exigira avancos fundamentais na tecnologia de producao e contencao.