13.502 – Física – A Bomba de Antimatéria


antimateria
O mundo foi testemunha do terrível poder destrutivo das bombas nucleares durante a Segunda Guerra Mundial, quando os Estados Unidos as utilizaram sobre Hiroshima e Nagasaki. Até hoje, mais de 70 anos depois, as consequências dessas bombas continuam se manifestando.
Mas nesse meio tempo, as potências nucleares criaram artefatos centenas de vezes mais poderosos. A Rússia, por exemplo, tem em seu poder a Tsar, cujo poder destrutivo é três mil vezes maior que o da bomba de Hiroshima.
Ainda assim, a Tsar parece fichinha perto desta que, se fosse produzida, chegaria a ser cinco vezes mais poderosa que a russa. A bomba em questão utilizaria a “antimatéria”, que, assim como a matéria, teve sua origem no Big Bang. São partículas com propriedades exatamente contrárias à matéria. Sabe-se que, quando uma partícula e uma antipartícula interagem, é causada uma destruição entre elas e ambas são aniquiladas.
Se os cientistas conseguirem criar e conservar átomos de antimatéria nas condições necessárias para ser utilizadas, seus efeitos seriam catastróficos para a vida do planeta Terra. Felizmente, as complicações para criar essa bomba são muitas, e a primeira é o seu valor: acredita-se que para obter 1 g de antimatéria seriam necessários algo em torno de 62,5 trilhões de dólares.

8815 – Física – A Metade Invisível do Universo


Antimatéria é simplesmente isso: um inverso elétrico da matéria usual. Mas, então, por que não se vê antimatéria no grande laboratório natural que é o Universo? Tudo indica que ela deve ter sido criada em grandes quantidades durante o Big Bang, a explosão que criou o Cosmo, há 15 bilhões de anos. Mas é praticamente certo que, dentro do enorme volume gigantesco à nossa volta, não existe o menor traço de antiestrelas ou antigaláxias.
Por enquanto, os físicos não sabem exatamente que tipo de coisa terão que procurar. Talvez a antimatéria sofra de alguma instabilidade, alguma propensão interna para desintegrar-se. Isso explicaria o seu sumiço durante a história do Universo. Para Christian, a probabilidade de achar alguma anomalia não é grande. Mesmo assim, o trabalho não se perderá. Pois, enquanto mantêm um olho no enigma cósmico, os físicos vão explorar um novo tipo de material à disposição da humanidade. E não é muito improvável que, nos próximos anos, ele sirva para desenvolver tecnologias inimagináveis atualmente.
Agora mesmo existe um projeto interessante em andamento na Universidade da Pensilvânia. Muito bem bolado, o motor proposto pelo chefe do estudo, Gerald Smith, usaria um raio de antiprótons para energizar um reator nuclear. A grande vantagem desse sistema sobre idéias anteriores é que exige apenas alguns milhares de partículas, quantidade fácil de produzir com a tecnologia existente. Segundo Smith, se a coisa funcionar, e se for possível reduzir o custo do combustível, que é hoje altíssimo, poderá acelerar uma grande nave pilotada a uma velocidade em torno de 100 000 quilômetros por hora e reduzir pela metade o tempo de vôo aos planetas. Uma viagem a Marte levaria cerca de 100 dias. O esforço pode não dar em nada. Mas a idéia de usar a antimatéria como combustível deve continuar sendo uma inspiração para o avanço das pesquisas.
Num choque frontal a quase 300 000 quilômetros por segundo, duas partículas subatômicas da classe dos prótons viram energia pura, e esta, imediatamente depois, dá origem a novas partículas que se afastam da colisão em espirais.
Metade dos fragmentos criados na trombada representam matéria comum, como prótons e elétrons, entre outros
A outra metade, voando em direção oposta, é formada por antiprótons e antielétrons. Ou seja, antimatéria.

Veja como o antielétron foi detectado em 1932.
Os físicos custaram a descobrir como se monta um antiátomo inteiro. Mas as antipartículas usadas para construí-lo fazem parte da rotina científica desde o início da década de 30. Em 1932, o teórico inglês Paul Dirac previu a existência do antielétron, e apenas dois anos mais tarde o americano Carl Anderson comprovou a teoria. Anderson ainda não dispunha dos grandes tubos a vácuo nos quais, atualmente, partículas comuns são, primeiro, aceleradas e, depois, forçadas a colidir entre si a uma velocidade próxima à da luz. Elas então se desintegram e se recompõem na forma de estilhaços subatômicos. Metade dos quais é antimatéria. Como esse processo só começou a ser usado na época da Segunda Guerra Mundial, Anderson teve que observar o antielétron nos raios cósmicos. São principalmente prótons que viajam, enlouquecidos, entre as estrelas. Vez por outra, explodem nas camadas mais altas da atmosfera, gerando grandes chuveiros de lascas microscópicas. Foi o primeiro contato da humanidade com a antimatéria.

De Einstein ao anti-hidrogênio:

Os passos que levaram à descoberta da antimatéria.
O pai da ideia:
Como quase tudo na Física, a existência da antimatéria foi deduzida a partir da Teoria da Relatividade, criada por Einstein em 1905.

Retoques na teoria
Em 1924, o francês Louis de Broglie, aprimorando as fórmulas de Einstein, preparou o caminho para a pesquisa nos anos seguintes.

Inglês genial
Em 1930, o inglês Paul Dirac mostrou que cada partícula deveria ter um par, idêntico a ela mas de carga elétrica oposta.

Carl Anderson
Em 1932, o americano Carl Anderson detectou um antielétron. Era idêntico ao elétron de carga negativa. Mas tinha sinal positivo.

5592 – Física – O desequilíbrio entre matéria e antimatéria


Há algumas semanas, resultados científicos obtidos pelo Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern) e por uma experiência que utilizou um reator nuclear chinês conquistaram manchetes, ao menos no mundo da Física de partículas.
No Cern, em Genebra, átomos de antimatéria foram estudados pela primeira vez, por algumas dezenas de cientistas que trabalham no projeto Alpha. Na China, o reator da baía de Daya, na província de Guangdong, perto de Hong Kong, foi usado para confirmar que os neutrinos podem em breve assumir posição central em nossa compreensão de como o universo surgiu. Os dois resultados envolvem um dos maiores problemas não resolvidos na física fundamental: por que resta matéria no universo?
Ainda bem que resta matéria, porque por matéria designamos partículas como os elétrons e prótons, que formam átomos, pessoas, planetas e estrelas. Mas a situação é precária. Para cada partícula de matéria no universo existem cerca de um bilhão de partículas de luz. Em outras palavras, o universo é feito quase inteiramente de luz.
As partículas de matéria, em vasta inferioridade numérica, parecem ser um minúsculo resíduo deixado da espetacular queima de fogos que ocorreu no segundo posterior ao Big Bang. Aquele momento fugaz viu a produção de quantidades praticamente iguais de matéria e antimatéria, combinadas em um plasma quente. À medida que o universo se expandia e resfriava, os antielétrons começaram a se fundir com os elétrons e os antiprótons a se fundir com prótons, convertendo-os em partículas de luz.
Dessa forma, matéria e antimatéria se cancelavam mutuamente, deixando para trás um universo repleto de luz –excetuado aquele ínfimo resíduo.
A mensagem é clara: algo deve ter interferido para impedir que matéria e antimatéria se cancelassem de modo perfeito, e sem isso não estaríamos aqui para refletir sobre nosso notável universo.
RACIOCÍNIO MATEMÁTICO
A existência da antimatéria foi prevista em 1928 pelo físico britânico Paul Dirac, que mais tarde ganhou um Nobel. O feito de raciocínio puramente matemático de Dirac foi comprovado quatro anos mais tarde quando Carl Anderson descobriu o antielétron, em seu laboratório na Califórnia. De acordo com as equações de Dirac, a antimatéria devia se comportar exatamente como a matéria comum, com a exceção de que portaria a carga elétrica oposta.
A “simetria” entre matéria e antimatéria é a razão para que tenham sido criadas em volume igual no nascimento do universo e para que se tenham cancelado mutuamente de maneira quase completa.
Hoje, experiências de Física de partículas e hospitais (ao usarem tomografia por emissão de pósitrons) de todo o mundo produzem partículas de antimatéria rotineiramente e, na maioria dos casos, elas se comportam exatamente como Dirac previu. Assim, o que impede a perfeita simetria entre matéria e antimatéria?
As partículas de matéria e antimatéria foram observadas, em raras ocasiões, agindo de maneira diferente uma da outra, em experiências de laboratório. Os quarks e antiquarks (partículas usadas para construir o núcleo do átomo), especialmente, às vezes se desviam da simetria perfeita.
Em 1973, em outro feito de raciocínio matemático, os físicos japoneses Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa concluíram que a única maneira de enquadrar os resultados anormais era supor que deveriam existir pelo menos seis tipos de quark na natureza.
Na época, apenas quatro tipos haviam sido observados; deve ter sido muito satisfatório para eles quando os tipos restantes foram enfim observados, em 1977 e 1995. Assim, ainda que cada átomo do universo seja formado por apenas dois tipos de quark, ao que parece os quatro tipos restantes desempenham papel central na quebra da simetria entre matéria e antimatéria.
Uma reviravolta fascinante revelou que as diferenças entre os quarks e antiquarks não bastariam para explicar o volume de matéria existente no universo. A mensagem é clara: ainda não compreendemos plenamente as sutis diferenças entre matéria e antimatéria.
A experiência Alpha, do Cern, é mais um esforço com o objetivo de descobrir essas sutis diferenças, mas o que torna o projeto Alpha especial é a singularidade do teste que ele pode executar. O Cern produz anti-hidrogênio desde 1995, mas apenas agora esses átomos podem ser desacelerados, aprisionados (usando ímãs) e estudados por sondas de micro-ondas.
A expectativa teórica é de que o hidrogênio e o anti-hidrogênio absorvam e emitam luz (micro-ondas são uma forma de luz) exatamente da mesma maneira. Os resultados até o momento confirmam a premissa, mas o projeto apenas começou e a experiência planeja realizar mensuração precisa; a descoberta de qualquer desvio entre o hidrogênio e o anti-hidrogênio seria nada menos que sensacional.
Até o momento, as experiências de Física de partículas se concentraram primordialmente nas diferenças entre os quarks e os antiquarks. Os mais recentes esforços quanto a isso foram liderados por cientistas que trabalham no projeto Beauty do Large Hadron Collider, no Cern, mas quarks não são a única possibilidade.
Os neutrinos também têm parceiros de antimatéria. Foram menos bem estudados, basicamente porque detectá-los é muito mais difícil; só nos últimos anos a situação começou a mudar.
A experiência com o reator da baía de Daya, na China, envolve contar o número de antineutrinos emanados de um reator nuclear; o resultado, publicado em 8 de março, fez uma contribuição decisiva ao demonstrar, sem sombra de dúvida, que os neutrinos também podem contribuir para o debate sobre matéria e antimatéria.

4796 – Física – Bóson de Higgs, as “partículas de Deus”


Cientistas da Cern (Organização Européia de Pesquisa Nuclear) se reúnem em Genebra para anunciar resultados do experimento que tenta confirmar a existência da última peça da teoria-mestra da física de partículas.
A sorte está lançada, e todos querem saber se o bóson de Higgs –a “partícula de Deus”– apareceu.
O projeto, conduzido no acelerador de partículas LHC, busca entender por que os componentes dos átomos têm massa. A explicação mais simples é que a partícula hipotética (batizada em referência a Peter Higgs, que a postulou) daria massa às outras partículas.
Se o bóson de Higgs existe, pode surgir nas colisões entre núcleos de átomos que o LHC produz. Físicos passaram os últimos dois meses analisando informações medidas pelos experimentos.
Quem espera um glorioso “sim” ou um revolucionário “não” no anúncio de amanhã pode ter de se contentar com um “talvez”. Dois experimentos separados, o Atlas e o CMS, competem para chegar à partícula primeiro. Oficialmente, não conhecem dados finais um do outro. Nenhum cantou vitória ainda.
Segundo os físicos, pode ser que um resultado positivo esteja próximo. A teoria prevê que o próprio bóson tenha massa, medida em escala de gigaelétron-volts (GeV, unidade baseada na massa do núcleo do hidrogênio).
A Ciência é uma questão de fé?
O maior e mais caro laboratório da história. Ele mesmo: o LHC (grande acelerador de hádrons), um monstro de 3 bilhões de euros e 27 quilômetros de circunferência enterrado na fronteira da França com a Suíça.
O trabalho dele é acelerar prótons a 1 bilhão de quilômetros por hora e fazer com que eles batam de frente. A energia da pancada é tamanha que a coisa funciona como um mini big-bang (a explosão que deu origem ao Universo). Ou seja: vão “nascer” partículas de todos os tipos, e poderemos encontrar coisas jamais vistas pelo homem lá no meio.
Tudo isso tem muita cara de ciência sólida, não? E seria mesmo, não fossem alguns objetivos do experimento.
O principal dele: encontrar uma partícula jamais observada antes. É o bóson de Higgs, que seria a partícula responsável por fazer as coisas ter massa – graças a ele você é uma coisa “sólida”, e não um fantasma feito de luz. Uma tarefa nobre. Só que até agora o bóson só existe nas equações dos físicos. É apenas uma ferramenta matemática que ajuda a explicar o funcionamento do Universo. Como as contas dão certo quando colocam essa partícula no meio, a maior parte dos físicos imagina que ela seja real mesmo, mas falta uma prova concreta. Por enquanto, acredita quem quer.
Não chega a ser uma fé cega, claro: existem boas razões para crer nela. Afinal de contas, outras partículas que só existiam nas equações já foram descobertas em outros aceleradores. E teorias hoje provadas e comprovadas, como a do big-bang e a relatividade, começaram no papel – e sob muita descrença.
Caso encontrem o Higgs, então, será uma festa: os cientistas vão saber que estavam certos nas últimas décadas. Se não rolar, ele passará para a história como uma hipótese tão furada quanto aquela que dizia que o Sol girava em torno da Terra. Ou seja: por hora, é questão de fé mesmo.
Uma fé que não pára por aí. Se a maioria dos cientistas considera a existência do bóson de Higgs extremamente provável, o mesmo não vale para outra coisa que muita gente espera encontrar no LHC: mundos de 10 dimensões.
A idéia de que todas as partículas são cordinhas vibrantes ganhou o coração e a mente dos físicos. Mas ainda não há como saber se ela não passa de imaginação.
Bóson de Higgs
É uma partícula fundamental para a ciência. Sem ela, as equações da física moderna não funcionam. Mas falta ver se ela realmente existe fora do papel .
Mecânica quântica
A teoria que rege o mundo subatômico está certa. Mas abre espaço para especulações, já que faltam provas sobre o que ela diz a respeito da gravidade.
Hipótese do multiverso
Se há uma teoria bacana é esta: não teríamos só este Universo aqui. Existiriam infinitos deles. Mas e para provar uma coisa dessas? Até agora, sem chance.
Teoria da inflação Cósmica
Só dá para entender como o Cosmos é tão bem distribuído se imaginarmos que ele teve um período de crescimento acelerado. Mas faltam evidências.
Big-Bang
Aqui não tem espaço para a fé. O Universo nasceu de um ponto há 13,7 bilhões de anos e é isso aí. As provas não deixam espaço para dúvida.

2712-Antimatéria – O Lado Negativo do Universo


A antimatéria é invertida. Em tudo, tem o sinal trocado: se um átomo comum tem carga positiva, ela é negativa. Mas é também um grande enigma: por que é que não se consegue ver os átomos de antimatéria no espaço, se até em laboratório eles podem ser fabricados? Agora, os cientistas estão mais perto da resposta.
Desde que os físicos aprenderam a provocar colisões frontais entre as partículas subatômicas para transformá-las em energia pura, notaram um paradoxo que até então não havia ocorrido a ninguém. É que a energia produzida desse modo geralmente toma a forma de novas partículas, metade das quais é feita de matéria comum e a outra metade, de antimatéria. Ou seja, sempre que se cria um próton de carga elétrica positiva, também surge um antipróton, que é negativo. Se nasce um elétron negativo, ao seu lado existe um antielétron positivo. Antimatéria é simplesmente isso: um inverso elétrico da matéria usual. Mas, então, por que não se vê antimatéria no grande laboratório natural que é o Universo? Tudo indica que ela deve ter sido criada em grandes quantidades durante o Big Bang, a explosão que criou o Cosmo, há 15 bilhões de anos. Mas é praticamente certo que, dentro do enorme volume gigantesco à nossa volta, não existe o menor traço de antiestrelas ou antigaláxias.
Eletricidade invertida
A necessidade de resolver essa contradição explica, em parte, a importância da máquina experimental montada no laboratório americano Fermilab, desde novembro do ano passado, para fabricar anti-hidrogênios. São átomos inteiros de antimatéria nos quais os prótons não têm carga positiva, mas sim negativa. E os elétrons passam de negativos a positivos. Então, esses elementos de eletricidade invertida podem fornecer uma pista para a sua aparente ausência no Cosmo: se forem examinados bem de perto, talvez revelem alguma propriedade nova, que não havia sido percebida antes.
A oportunidade surgiu somente agora porque os anti-hidrogênios são conquista recente. Só passaram a ser produzidos no final de 1995, numa experiência dirigida pelo físico alemão Walter Oelert, do Cern, sigla em francês para Centro Europeu de Pesquisas Nucleares. Oelert deu o primeiro passo, mas fez somente nove antielementos.
O Fermilab deu um salto à frente ao demonstrar que é viável fabricar antiátomos em quantidade – e, talvez, no fim do processo, fabricar energia. Os cem exemplares produzidos desde a montagem da “antifábrica”, em novembro de 1996, não são muita coisa. “Ainda vai ser preciso multiplicar esse número por vinte ou trinta, para poder fazer um estudo rigoroso”, diz David Christian, um dos responsáveis pela experiência. Mas, dado o primeiro passo, não vai ser difícil aumentar a produção e começar a investigar as propriedades dos anti-hidrogênios.
Por enquanto, os físicos não sabem exatamente que tipo de coisa terão que procurar. Talvez a antimatéria sofra de alguma instabilidade, alguma propensão interna para desintegrar-se. Isso explicaria o seu sumiço durante a história do Universo. Para Christian, a probabilidade de achar alguma anomalia não é grande. Mesmo assim, o trabalho não se perderá. Pois, enquanto mantêm um olho no enigma cósmico, os físicos vão explorar um novo tipo de material à disposição da humanidade. E não é muito improvável que, nos próximos anos, ele sirva para desenvolver tecnologias inimagináveis atualmente.
Antipartícula anticâncer
“Vamos tentar produzir e armazenar grande quantidade de antiátomos em gaiolas magnéticas”
Como esses antielementos não existem em nosso mundo, determinar as suas propriedades fundamentais é decisivo para a compreensão da natureza”. É até possível que a pesquisa acabe resultando em alguma aplicação prática. Para justificar essa crença, ele lembra que alguns tomógrafos já funcionam à base de antielétrons. Eles são injetados nos pacientes, se desintegram em contato com elétrons no interior do organismo e produzem raios X que atravessam os tecidos formando uma imagem dos órgãos. É como uma radiografia de dentro para fora. Mais recentemente, segundo o cientista, surgiram planos de bombardear células cancerosas com raios de antiprótons.
Propulsão de foguetes
Um projeto em andamento na Universidade da Pensilvânia, muito bem bolado, o motor proposto pelo chefe do estudo, Gerald Smith, usaria um raio de antiprótons para energizar um reator nuclear. A grande vantagem desse sistema sobre idéias anteriores é que exige apenas alguns milhares de partículas, quantidade fácil de produzir com a tecnologia existente. Segundo Smith, se a coisa funcionar, e se for possível reduzir o custo do combustível, que é hoje altíssimo, poderá acelerar uma grande nave pilotada a uma velocidade em torno de 100 000 quilômetros por hora e reduzir pela metade o tempo de vôo aos planetas. Uma viagem a Marte levaria cerca de 100 dias. O esforço pode não dar em nada. Mas a idéia de usar a antimatéria como combustível deve continuar sendo uma inspiração para o avanço das pesquisas.

Física- Em busca da antimatéria


Em um depósito em Genebra na Suíça está guardada uma pequena e terrível massa cuja força explosiva é 100 vezes maior que a do urânio com o qual são preparadas as bombas atômicas. A antimatéria por enquanto não oferece perigo por ser usada em quantidades insignificantes, porém em grandes quantidades de antimatéria representarão para a humanidade uma fonte de energia ainda impossível de calcular. A idéia de que ela pudesse existir surgiu no final dos anos 20 e seu pai foi o físico inglês Paul Dirac (1902-1984) . Já havia sido divulgada já a algum tempo a teoria da relatividade cuja qual Albert Einstein ensinou que matéria e energia são intercambiáveis ou seja, podem se transformar uma na outra. As experiências de Dirac eram teóricas, mas o físico americano Carl Anderson , quando fazia experiências com radiação cósmica , conseguiu demonstrar que os antielétrons existiam de fato. Tais partículas recebiam o nome de pósitrons e Anderson ganhou por isso um prêmio Nobel em 1936. A descoberta seguinte foi que todas as partículas têm sua correspondente antipartícula, havendo os antiprótons , antinêutrons e etc. São eles os formadores da antimatéria e já é possível produzi-las em laboratório e em condições controladas. Para Dirac, é mera casualidade o fato de a Terra ter sido formada de matéria e não antimatéria e achava que era possível ocorrer o contrário com outros corpos celestes se um elétron colidir com um pósitron, ambos se aniquilariam mutuamente e suas massas combinadas liberariam como energia em forma de raios gama. Os primeiros radiotelescópios instalados a bordo de satélites artificiais permitiam descobrir que no universo não há tantos raios gama como se imaginava . Os resultados obtidos até agora não indicam que a Via Láctea possa ter mais do que uma milionésima parte de sua massa constituída de antimatéria. Um eventual choque de anticorpúsculos com o planeta produziria uma explosão equivalente a de uma bomba atômica. Teria sido isso o que aconteceu no começo do século na região siberiana de Tunguska, cuja destruição muito se falou sem porém se descobrir o que realmente aconteceu. As investigações e aplicações da antimatéria estão ainda apenas no início.