Entendendo a Antimatéria -Filosofia do 1º ano

   Fiquei muito feliz com as aulas de quarta 20/04, falamos sobre Big Bang, antimatéria e códigos binários, muitos devem estar pensando que eu sou Professor de física ou astronomia, nada, dou aula de Filosofia e Sociologia, tenho o maior prazer de ler muito e levar a meus alunos temas que podem ser tratados em todas as matérias. 

   Muitos alunos ficaram impressionados com a Antimatéria e ressorvi pesquisar mais sobre ela e passar este post para vocês.

Em alguns laboratórios pelo mundo vários cientistas trabalham sem parar para produzir a força mais destrutiva já vista no Universo: a antimatéria.

Um desses laboratórios é o Fermilab, em Batavia, uma cidade perto de Chicago. Lá, usando imensos anéis magnéticos que aceleram partículas, o etéreo conceito de antimatéria ganha ares de realidade. Surgem essas antipartículas que quase não são encontradas no Universo. Isso mostra que se acabou o tempo em que valia aquela explicação de escola: O próton tem carga elétrica positiva e o elétron tem carga elétrica negativa.

A idéia de que pudesse existir algo assim surgiu no final dos anos 20 e seu pai foi o físico inglês Paul Dirac (1902-1984). Já havia sido divulgada há algum tempo a Teoria da Relatividade, pela qual Albert Einstein ensinou que matéria e energia são intercambiáveis, ou seja, podem se transformar uma na outra. Dirac começou investigando as partículas do átomo, entre elas os elétrons, à luz da Teoria da Relatividade e da Mecânica Quântica.

Seu objetivo sem dúvida ambicioso era descobrir em um denominador comum a ambas. Nesse trabalho conseguiu desenvolver fórmulas e equações matemáticas que, efetivamente, são úteis tanto no campo da Relatividade quanto no da Mecânica Quântica.

Paul Dirac

Dirac verificou que uma dessas equações não descrevia apenas o comportamento dos elétrons, como ele esperava, mas também oferecia soluções que não se acomodavam às regras da Física comum. Afinal Dirac descobriu o nó da questão - as partículas com as quais estava trabalhando não eram elétrons normais: sua massa era exatamente a de um elétron comum, mas sua carga elétrica era positiva, em vez de negativa. Parecia, em suma, uma imagem refletida no espelho, um elétron ao contrário. Um antielétron.

Algum tempo depois o físico norte-americano Carl Anderson, quando fazia experiências com radiação cósmica, conseguiu demonstrar que os antielétrons existiam de fato. Tais partículas receberam então o nome de pósitrons - e Anderson, por isso, ganhou um prêmio Nobel em 1936.

O avanço das pesquisas mostrou que não só o elétron tinha sua versão “transformers”, mas todas as partículas, prótons, nêutrons e até seus constituintes, os quarks possuíam antipartículas, e são essas antipartículas que formam a antimatéria. É como se houvesse todo um esquema alternativo para a construção do Universo. Um esquema em que antipartículas dariam origem a antiátomos que formariam antiplanetas e antipessoas... Mas essa idéia foi desprezada pela natureza logo que o Cosmos nasceu. Os astrônomos, para onde quer que olhassem, só viam matéria. A antimatéria havia sido quase que totalmente ignorada. Hoje só aparece um número pequeno de partículas em jatos de energia que vagam pelo espaço - foi analisando esses raios que Anderson encontrou seus pósitrons.

Atualmente já é possível produzir antipartículas em laboratório, em condições controladas. O Centro Europeu de Investigação Nuclear (CERN), em Genebra, produz antiprótons, conservados em campos magnéticos para dedicadas experiências.

Carl David Anderson

Observamos que se encontra antimatéria em pouquíssima quantidade, e o maior mistério de todos é que não deveria ser assim. Logo depois do big-bang, o Universo era energia pura. Boa parte dessa energia se transformou em matéria por isso estamos aqui. Só que, quando energia vira matéria, a teoria diz que iguais quantidades de partículas e antipartículas deveriam ser produzidas.

Mas isso não aconteceu na época do big-bang. Se a explosão que deu origem ao Universo tivesse produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria, não estaríamos aqui. Isso porque partículas e antipartículas se aniquilam quando entram em contato. O que era matéria e antimatéria se tornam energia novamente. Sendo assim, não sobraria próton nenhum para contar história. Nunca teria nascido uma estrela, planeta ou pessoa sequer, e o Universo voltaria a ser um monótono mar de energia. Mas, por algum mistério isso não aconteceu, e os físicos duelam até hoje com esse enigma. Há pequenas diferenças entre matéria e antimatéria que fazem com que, a cada milhão de antipartículas, surjam um milhão e UMA partículas. Com esse ligeiro descompasso, sobraram migalhas de matéria normal. São elas que formam todo o Universo.

Bem, se a antimatéria é algo quase inexistente no Universo, porque buscá-la tão intensamente?

Por duas razões. Primeiro porque, ao ligarmos na tomada nossos aceleradores de partículas, aprendemos, a duras penas, como fabricar antimatéria. Chegamos até a construir átomos inteiros de anti-hidrogênio (compostos de um pósitron girando ao redor de um antipróton) em nossos laboratórios, a primeira vez que isso aconteceu foi em 1995. E segundo, porque é possível desenvolver aplicações práticas usando antimatéria.

Como é o caso da tomografia por emissão de pósitrons, por exemplo. Essa é uma tecnologia médica para visualizar o interior do corpo, também conhecida como PET Scan na expressão inglesa. Esse tipo de tomografia se baseia justamente na geração de elétrons positivos que, ao interagir com o corpo, produzem imagens 3D.

Ei, mas, se os pósitrons são antimatéria, por que eles não explodem o corpo das pessoas ao entrar em contato com ele numa dessas tomografias? Aí é que está o fato de que os cientistas estão usando versões positivas dos elétrons, significa que eles contêm uma massa e um tamanho tão ridiculamente pequeno quanto o dos elétrons convencionais. Tão pequeno que, do ponto de vista deles, os espaços vazios entre os átomos são enormes. Então eles praticamente passam direto pelas partículas do corpo, os que trombam em alguma coisa resultam em pouquíssima produção de energia. Em suma: ninguém explode.

Mas o caso seria bem diferente se, no lugar de pósitrons usassem antiprótons. Essas partículas têm 1 836 vezes mais massa que os elétrons, tendo um poder muito mais destrutivo.

O Gigantesco acelerador de partículas do CERN

Nos grandes aceleradores de partículas, como o Fermilab, nos EUA, e o CERN, na Europa, os cientistas já estão produzindo e armazenando antiprótons. Como os antiprótons não podem tocar o invólucro em que estão contidos (pois se isso acontecesse ocorreria uma explosão), são utilizados campos magnéticos para aprisioná-los. Eles são submetidos a um aparelho chamado LEAR (sigla em inglês de Light Energy Antiproton Ring ou Anel de Antiprótons de Baixa Energia), que reduz consideravelmente sua velocidade. Domesticados, os antiprótons caem na chamada Armadilha de Penning, onde são continuamente atirados para frente e para trás, por meio de campos magnéticos que evitam que eles se choquem com paredes. Dessa forma os pesquisadores podem agora se dar ao trabalho de pensar em maneiras de utilizar esses antiprótons. Até agora, o único uso é a aplicação em mais experimentos científicos. Mas há quem sonhe com mais.

O Instituto de Investigação da Rand Corporation, nos Estados Unidos, já concluiu um estudo onde registra a possível aplicação da antimatéria em foguetes, armas lançadoras de raios e na alimentação de lasers de raios X. O estudo afirma que a tecnologia para isso poderia ser desenvolvida em cinco anos. Outros estudos patrocinados pela Força Aérea dos Estados Unidos estão em curso, sob protestos da comunidade científica internacional.

A Força Aérea americana, por exemplo, tem gastado milhões de dólares para desenvolver projetos de armas alimentadas por antimatéria. Caso funcionem, esses projetos poderiam dar à luz bombas mais poderosas que as ogivas nucleares. Fala-se também na construção de reatores movidos por ela para a produção de energia elétrica. Faz sentido: um pacote com 10 quilos de antimatéria é capaz de gerar tanta força quanto a Usina de Itaipu trabalhando sem parar por 6 anos.

Entretanto, o uso mais interessante e defendido pelos cientistas para a antimatéria é a construção de espaçonaves capazes de cruzar as vastas distâncias entre as estrelas. Parece coisa de “Jornada nas Estrelas”, em que a nave Enterprise fazia suas viagens interestelares com um motor alimentado por matéria e antimatéria.

O segredo é que, quando matéria e antimatéria se encontram, o resultado é um jato de partículas de energia pura. Se fosse possível produzir a aniquilação de modo que o jato fosse conduzido numa dada direção, a espaçonave seria impulsionada com grande força na direção oposta. É mais ou menos como funcionam hoje nossos foguetes químicos tradicionais, mas com uma quantidade de energia muito maior. Poderia ser mais eficiente também um carro, por exemplo, que movido a antimatéria só precisaria de 1 grama de combustível para rodar 10 mil quilômetros.

Nave Enterprise, seriado Jornada Nas Estrelas

Caso essa tecnologia pudesse ser empregada num vôo espacial, viagens a Marte ou Saturno seriam versões futuristas do que hoje é a ponte aérea Rio-São Paulo. Ainda mais do que isso, essa seria a única maneira conhecida de fazer uma nave com propulsão própria atravessar, num tempo razoável (ou seja, menor que o tempo de vida de um ser humano), a gigantesca distância até as estrelas mais próximas. Com a tecnologia de hoje, só conseguimos construir naves que levariam 80 mil anos para chegar à nossa vizinha Alpha Centauri, a 40 trilhões de quilômetros daqui.

Existe um projeto interessante de construir um motor a base de antimatéria 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.

O Alto custo

Tomando por base os esforços do Fermilab, o físico americano Lawrence Krauss, da Case Western Reserve University, fez as contas de quanto poderia custar, numa estimativa otimista, a produção de antimatéria. “Sendo generosos, vamos supor que, com as tecnologias atuais, poderíamos obter de 10 milhões a 20 milhões de antiprótons por dólar”, diz Lawrence. “A próxima pergunta é bastante óbvia: quanta energia por esse dólar? Se convertêssemos a massa total de 1 dólar de antiprótons em energia, liberaríamos quase nada: mais exatamente, 1 milésimo de joule, o necessário para aquecer um quarto de grama de água a 1 milésimo de grau Celsius. Isso não é motivo para orgulho”.

É por essa conta que Krauss é extremamente cético a respeito dos futuros planos para a antimatéria. “Até onde eu sei, não ficou mais barato ou fácil produzir antimatéria, e eu acho que provavelmente há fortes razões físicas pelas quais você não pode fazê-la de forma muito mais barata, pelo menos com prótons”, afirma Krauss. “Então, a conclusão é, não há nenhuma grande nova aplicação que eu consiga imaginar e que seja praticável. Mas nem todo mundo é tão pessimista”.

O americano Steven Howe, por exemplo, promete enviar uma missão não tripulada a Alfa Centauri, a estrela mais próxima do sistema solar, se alguém lhe der apenas 17 gramas de antimatéria. Ele é fundador da empresa Hbar Technologies, que tem por objetivo fomentar aplicações para as antipartículas. Segundo o cientista, não faltam propostas, e a companhia está a todo vapor. Só tem um probleminha: Para obter os 17 gramas que Howe pede, seria preciso pagar a bagatela de 30 quatrilhões de dólares. O PIB mundial, em 2007, fechou em US$ 55 trilhões. Teríamos que aumentar em pouco mais de 500 vezes esse valor e então gastá-lo todo no Fermilab.

Por enquanto este é um pensamento muito difícil e distante, mas Howe não desanima: “Antimatéria é uma tecnologia na sua infância ”, diz. “Acredito que nas próximas décadas ela terá o mesmo impacto na nossa vida que o chip teve nos últimos 40 anos”.

Bem, já se passaram mais de 50 anos desde que o físico Paul Dirac apresentou ao mundo científico suas equações, mas as investigações sobre a antimatéria estão apenas começando.

 ____________________________________________________________________________

O Futuro é agora

Anti-hélio

Um grupo internacional de cientistas, com participação de brasileiros, criou uma nova forma de antimatéria que é a maior e mais complexa anti-coisa já vista.

Até então, a antimatéria mais complexa e mais pesada já criada era um híbrido de hélio e hidrogênio, um anti-hélio-3, com dois antiprótons e um antinêutron. Agora foram criados núcleos de anti-hélio verdadeiro, contendo dois antiprótons e dois antinêutrons, ou anti-hélio-4.

O anti-hélio foi detectado no Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC: RelativisticHeavy Ion Collider), que fica localizado em Upton, no estado de Nova York. O colisor é operado pela Colaboração STAR, que reúne 584 cientistas de 54 instituições de 12 países diferentes.

Detector do RHIC

 

Criação da antimatéria

No ano passado, a equipe STAR anunciou a descoberta do anti-hipertriton, formado por um antipróton, um antinêutron e uma partícula instável chamada anti-lambda. O anti-hipertriton era então a antipartícula mais pesada que se conhecia.

Mas os 18 núcleos de anti-hélio-4 observados agora bateram os recordes anteriores.
Anti-partículas têm carga elétrica oposta à das partículas de matéria ordinária - os antinêutrons, que são eletricamente neutros, são compostos de antiquarks que têm carga oposta à dos quarks normais.

As partículas de antimatéria aniquilam-se no contato com a matéria comum, emitindo um flash de raios gama, o que as torna notoriamente difíceis de encontrar e observar.
Mas isto vem mudando rapidamente. No ano passado cientistas conseguiram capturar a antimatéria pela primeira vez e, há poucas semanas, anunciaram o desenvolvimento de uma garrafa capaz de guardar antimatéria.

No RHIC, os cientistas colidem núcleos atômicos pesados, como chumbo e ouro, para formar bolas de fogo microscópicas, onde a energia é tão densa que podem ser criadas muitas novas partículas.

A anti-tabela periódica. É também conhecida como Quadro 3-D dos Nuclídeos. (Imagem: RHIC)

Anti-Tabela Periódica

"Eles nos levaram para o próximo elemento da anti-tabela periódica," comentou Frank Close, da Universidade de Oxford, no Reino Unido.

A Tabela Periódica normal organiza os elementos de acordo com seu número atômico (Z), que determina as propriedades químicas de cada elemento. Os físicos também trabalham com o eixo N, que dá o número de nêutrons no núcleo de cada átomo.

O terceiro eixo representa a estranheza (S), que é zero para toda a matéria que ocorre naturalmente, mas pode ser não-zero no núcleo de estrelas colapsadas.

Os antinúcleos ficam na porção Z e N negativos, e o novo antinúcleo descoberto agora estende a anti-tabela periódica para a região da antimatéria estranha.

Antimatéria sólida

O próximo anti-elemento dessa nascente anti-tabela periódica, o antilítio, poderia, em teoria, formar antimatéria sólida a temperatura ambiente - mas isso será algo muito mais difícil de fazer.

A equipe STAR calcula que o antilítio irá nascer de colisões com menos de um milionésimo da frequência de formação do anti-hélio-4 agora observado. Na prática, isso o coloca fora do alcance dos colisores de hoje, incluindo o LHC.

LHC - Grande Colisor de Hádrons

Esconderijo da antimatéria

O cientista acrescenta que a obtenção do anti-hélio "não nos leva mais perto de responder a grande pergunta de por que é que o universo em geral não está repleto de antimatéria."

De fato, as teorias atuais afirmam que matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais nos primeiros instantes do universo, mas, por razões desconhecidas, a matéria prevaleceu.

Um observatório espacial, chamado Espectrômetro Magnético Alfa, que será levado para a Estação Espacial Internacional em Abril pelo ônibus espacial Endeavour, vai tentar amainar esse problema.

Já se sabe que os antiprótons ocorrem naturalmente em pequenas quantidades entre as partículas de alta energia, os chamados raios cósmicos, que atingem a Terra.

O AMS irá procurar por antipartículas mais pesadas. Mas se o anti-hélio é produzido apenas raramente em colisões, como mostrado agora pelo RHIC, então o AMS não deverá detectar anti-hélios.

Se ele encontrar altos níveis de anti-hélio, isto poderia reforçar a teoria de que a antimatéria não foi destruída no início do universo, mas simplesmente separada em uma parte diferente do espaço, onde não entra em contato com a matéria.



Fontes: Revista Super Interessante e Observation of the antimatter helium-4