Físicos mantêm um positrão durante meses numa armadilha quântica

Pelo menos segundo a teoria, o Universo não deveria existir.

Cada partícula do Universo tem uma correspondente antipartícula. Se duas partículas desse tipo se encontrarem, anulam-se de imediato, sendo aniquiladas numa pequena libertação de energia.

Em teoria, o nascimento do Universo deveria ter dado origem a quantidades iguais de partículas e antipartículas.

A razão pela qual o Universo atual favorece tão acentuadamente as partículas continua a ser um mistério. Encontrar a resposta é ainda mais difícil devido à tendência das antipartículas para colidirem com partículas.

Um esforço extraordinário poderá, contudo, ter finalmente dominado uma das antipartículas mais difíceis de controlar: o positrão, a contraparte de antimatéria do omnipresente eletrão.

Numa armadilha de vácuo criogénica e supercondutora, físicos da Universidade Northwestern, nos Estados Unidos, conseguiram manter um único positrão durante meses. Segundo os investigadores, este avanço abre caminho às mais rigorosas investigações de física de partículas até à data.

«O maior desafio é convencer um positrão ejetado de um núcleo num decaimento radioativo, com uma energia muito elevada, a abrandar o suficiente para o conseguirmos capturar na nossa armadilha de partículas», explicou à ScienceAlert o físico Gerald Gabrielse, da Northwestern e autor sénior do artigo.

Porque é difícil capturar um positrão

O Universo produz positrões naturalmente de várias formas: em explosões cósmicas, em interações energéticas entre partículas e no decaimento radioativo, quando um núcleo instável ejeta uma partícula com carga positiva, mas de resto idêntica a um eletrão de carga negativa.

O Universo não é, porém, um lugar favorável aos positrões. Para deixar de existir, basta que um positrão encontre um único eletrão - e os eletrões estão praticamente por todo o lado.

Os físicos conseguem observar positrões desde a década de 1930, mas estudá-los durante algum tempo exige que sejam totalmente isolados de qualquer encontro com outra forma de matéria.

É uma tarefa difícil, embora não seja impossível. Uma armadilha eletromagnética pode manter uma partícula suspensa no vácuo, impedindo-a de tocar acidentalmente noutra.

A dificuldade está em travar uma partícula ejetada durante o processo energético de decaimento radioativo.

«A maioria dos positrões que saem da fonte não é abrandada e capturada com sucesso», explicou Gabrielse. «Acabam por ser “aniquilados” com um eletrão no nosso aparelho.»

A solução da equipa, liderada pelo físico Tom Myers, da Northwestern, tinha de ultrapassar ambos os obstáculos: abrandar o positrão e confiná-lo sem o pôr em contacto com um eletrão.

Como fonte de positrões, os investigadores usaram um isótopo radioativo de sódio, que ejeta as antipartículas com uma energia de até cerca de 546 quiloeletrão-volts - a cerca de 88 por cento da velocidade da luz.

Como se trava, então, um positrão relativista?

Neste caso, a resposta passa precisamente por fazer aquilo que os investigadores procuravam, em última análise, evitar: fazê-lo atravessar matéria. Mais concretamente, um monocristal de tungsténio.

O dispositivo experimental tinha três componentes principais: a fonte de sódio, o cristal e a armadilha.

Numa primeira fase, alguns dos positrões emitidos pela fonte de sódio penetraram no cristal de tungsténio, onde a sua carga elétrica positiva interagiu com os eletrões de carga negativa do material. Essas interações podem excitar ou ionizar átomos, transferindo para o cristal parte da energia cinética do positrão.

A maioria dos positrões não sobrevive. Colidem com eletrões e ambos são aniquilados. Uns poucos, porém, escapam e emergem da superfície do tungsténio bastante mais lentos, ligados a um eletrão, mas sem lhe tocar. A essa associação chama-se positrónio.

Nesta forma particular de positrónio, o eletrão e o positrão ocupam um estado quântico altamente excitado, que os mantém relativamente afastados. Assim, a sua inevitável aniquilação é adiada durante tempo suficiente para transportar o positrão até ao destino: diretamente para a armadilha preparada.

Como a armadilha mantém o positrão isolado

A própria armadilha é igualmente engenhosa. Uma abertura minúscula, com apenas 640 micrómetros de largura, deixa entrar o positrónio. Aí, um campo elétrico separa o eletrão, deixando o positrão para trás.

O dispositivo, conhecido como armadilha de Penning, combina campos elétricos e magnéticos para confinar a partícula carregada sem a deixar tocar nas paredes.

Mantido numa armadilha com um vácuo extraordinariamente bom, arrefecida a apenas 300 milikelvin - uma fração de grau acima do zero absoluto -, o positrão consegue permanecer isolado do mundo exterior.

Para os investigadores, a espera é tensa.

«Ligamos o nosso detetor e esperamos», contou Gabrielse.

«Acabamos por ver o sinal elétrico de um positrão capturado. Depois afastamos a fonte radioativa da armadilha para impedir a entrada de mais algum positrão.»

A equipa conseguiu manter o positrão cativo durante meses. Contudo, impedir a sua aniquilação foi apenas o primeiro passo.

Era também necessário controlar o seu movimento com uma precisão extraordinária.

No intenso campo magnético da armadilha, o positrão desloca-se em pequenos círculos, num movimento designado por movimento ciclotrónico. Depois de o arrefecerem até ao seu estado de energia quântica mais baixo, os investigadores puderam usar micro-ondas cuidadosamente ajustadas para o fazer passar entre níveis de energia discretos, um quantum de cada vez.

E, crucialmente, conseguiram detetar essas alterações, bem como inversões do spin do positrão, sem perturbar os estados quânticos medidos.

«O meu grupo de investigação e eu procuramos criar um ciclotrão quântico de um só positrão há muitos anos, pelo que foi extremamente gratificante observar um positrão a dar saltos de energia de um quantum», disse Gabrielse.

«Também foi ótimo ver o trabalho de doutoramento do Tom culminar num grande sucesso. Ele tinha trabalhado muito.»

O que o positrão pode revelar sobre a simetria CPT

Mas por que razão haveria alguém de querer capturar e medir um positrão?

Na verdade, existem muitas boas razões. Entre as principais está um princípio fundamental da física conhecido como simetria CPT.

CPT significa conjugação de carga, paridade e inversão temporal: três transformações que, aplicadas em conjunto, deverão deixar inalteradas as leis fundamentais da física.

Uma consequência deste princípio é que as partículas e as suas correspondentes antipartículas deverão ter algumas propriedades exatamente iguais.

Um eletrão e um positrão, por exemplo, comportam-se ambos um pouco como um minúsculo íman de barra, graças a uma propriedade chamada momento magnético. Os seus momentos magnéticos deverão ter a mesma magnitude, mas sinais opostos.

Os físicos já mediram o momento magnético do eletrão com uma precisão impressionante. Agora, graças à capacidade de controlar um único positrão, Gabrielse e os colegas esperam fazer o mesmo com o seu equivalente de antimatéria.

«Se as magnitudes forem iguais, será a confirmação mais precisa da invariância CPT do Modelo Padrão - a descrição matemática mais fundamental da realidade física», explicou Gabrielse.

Os investigadores ainda estão a realizar essa medição e esperam apresentar um resultado no início do próximo ano. No entanto, dado que esta é a melhor oportunidade até agora para compreender uma partícula tão esquiva, o processo poderá demorar mais tempo.

Sejam quais forem os resultados, as medições poderão proporcionar um dos testes mais rigorosos até hoje a um dos princípios fundamentais em que assenta a física moderna.

E, mesmo que os resultados coincidam perfeitamente com a teoria, os físicos continuarão a enfrentar questões muito importantes.

«Isso aprofundaria o mistério de como o Modelo Padrão consegue fazer previsões tão precisas daquilo que medimos, apesar de ser incompatível com características fundamentais do Universo», afirmou Gabrielse.

A investigação foi publicada na revista Physical Review Letters.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos humanos. Se detetar um erro, informe-nos.