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Cientistas resfriam antimatéria com lasers

Antimatéria é algo que parece pura ficção científica mas é real, tem aplicações práticas e agora foi capturada e manipulada pelo CERN

31/03/2021 às 22:18

A história é bem interessante, e envolve algo além de simples antimatéria. Ela foi resfriada próxima do zero absoluto, e para isso os cientistas usaram uma ferramenta nada intuitiva, que a gente associa com calor pewpewpew: Um laser.

USS Enterprise. Um bom uso pra antimatéria. (Crédito: Paramount)

Antimatéria é o combustível usado na USS Enterprise, em Jornada nas Estrelas, e é a maior fonte de energia possível. A menos que consigamos extrair energia do vácuo, como os Antigos em Stargate, o limite é antimatéria, que quando reage com matéria comum, 100% da massa é convertida em energia.

Quanto é isso? É fácil de calcular, com a clássica equação de Einstein,

E = mc2

A quantidade de energia existente em uma massa m de matéria é equivalente a essa massa multiplicada pela velocidade da luz ao quadrado.

OK isso não significa nada. Vamos colocar em termos práticos. A bomba de Hiroshima, com seus 15kilotons de energia, equivalente a 15 mil toneladas de TNT devastou uma cidade, matou entre 90 mil e 166 mil pessoas, destruiu uma das maiores bases industriais e militares do Japão e quase convenceu o Imperador a se render.

64Kg de Urânio (Crédito: USAF)

A bomba tinha 64 quilos de Urânio. 100% da energia da explosão veio da conversão de parte dessa massa em energia. Agora a questão: Quanto desses 64Kg virou energia?

0.7 gramas

Isso mesmo. Zero ponto sete gramas de matéria convertidas em energia foram suficientes para destruir uma cidade. Quanta antimatéria seria necessária para obter o mesmo efeito? Óbvio: 0.35 gramas

Antimatéria é um dos grandes mistérios do Universo. É matéria formada por antipartículas, partículas que se comportam como partículas normais, mas com carga elétrica e outras características invertidas. Quando uma antipartícula entra em contato com sua análoga, as duas se aniquilam em uma explosão de raios gama.

É um fenômeno dramático, mas comum. Aqueles chaveiros de Trítio que brilham no escuro? Eles brilham porque o Trítio sofre decaimento radioativo, ele vira Hélio3 ao emitir um elétron, que atinge o fósforo que cobre a superfície do chaveiro e o faz brilhar. Ele também emite um elétron-antineutrino, uma partícula de antimatéria.

Milhares de elétrons foram destruídos para produzir cada pixel desta imagem. (Crédito: Vancouver Sun)

Quando você faz uma PET Scan, uma tomografia por emissão de pósitrons, você é injetado com um contraste que literalmente emite antimatéria. Milhões de pósitrons são emitidos por segundo, atingindo os elétrons do seu corpo e os convertendo em energia. Um detector registra os raios Gama emitidos enquanto seu corpo é lentamente desintegrado. Mas é seguro, juro.

Por muito tempo não se sabia se antipartículas conseguiriam se unir e formar antiátomos, mas eventualmente conseguimos produzir anti-hidrogênio. O processo, claro, é caro bagarai. A NASA estimou em 1999 que uma grama de anti-hidrogênio custaria US$62.5 trilhões para ser produzido. Felizmente cientistas trabalham com quantidades bem menores.

O Mistério da Antimatéria

Antimatéria é produzida naturalmente, até em tempestades de raios e em chuvas de raios cósmicos, mas isso não explica a ausência total de grandes quantidades de antimatéria no Universo.

Segundo os modelos mais aceitos para o Big Bang, matéria e antimatéria teriam que ser criados em quantidades idênticas, o que implica que se aniquilariam. E como não vivemos em um vazio de fótons lentamente perdendo energia, isso não aconteceu. Por algum motivo não há, ou não conseguimos detectar galáxias de antimatéria. Até porque se uma galáxia de antimatéria se encontrar com uma de matéria, vai ser difícil não percebermos.

Momento da criação de um par elétron/pósitron (Crédito: Anderson, 1932)

O problema de antimatéria, além do preço é a mania de aniquilar tudo que encosta, e quando um Danoninho (45g) de antimatéria equivale a dois milhões de toneladas de TNT, é imperativo não encostar nesse troço.

A solução teórica e prática é usar “garrafas magnéticas”, um campo magnético muito forte mantém uma quantidade de átomos de antimatéria suspensos no vácuo.

Uma dessas garrafas, ou “armadilhas” fica no CERN, aquele megapower laboratório europeu de pesquisas nucleares, aonde fica o famoso LHC.

O equipamento principal é um desacelerador de partículas, que coleta antiprótons gerados pelo LHC e removem energia deles, baixando sua velocidade e permitindo que eles sejam combinados com pósitrons, formando antihidrogênio.

O problema: Essas armadilhas magnéticas são relativamente fracas comparadas aos antiátomos, a única forma de funcionarem é com átomos de baixíssima energia, próximos do zero absoluto, 0 Kelvin.

Como você consegue esfriar esses antiátomos? Gelo seco, coração de ex? O CERN está usando... lasers.

O que é Temperatura?

Aqui a coisa fica complicada. Todo mundo tem uma noção instintiva do que é temperatura, mas na escala atômica temperatura pode ser descrita como a energia cinética média das partículas. Tipo aquela analogia de que no gelo as moléculas de H2O estão juntinhas e paradas, na água líquida estão mais soltas e se movendo, e no vapor elas estão muito mais agitadas e cheias de energia, colidindo e se afastando.

Claro a analogia cai por terra quando a gente aprende que água expande quando congela e gelo é menos denso por isso flutua mas tudo bem.

No caso estamos lidando com átomos individuais se movendo a uns 300Km/h, que parece pouco mas pra um átomo é bem rápido. Como diminuir essa velocidade? Bem, fótons não têm massa mas têm momento angular, energia cinética. Quanto um fóton atinge um elétron, é absorvido e em seguida reemitido, isso afeta o momento daquele elétron, e por conseguinte, aquele átomo. E isso vale pra pósitrons também.

As primeiras propostas de usar lasers para resfriar átomos surgiram na década de 1970. O truque é atingir átomos com lasers, e desde então a técnica vem sendo aprimorada.

O princípio é lindo e simples de entender. Primeiro, nem todo átomo absorve todo fóton, e isso é usado nessa técnica.

Os cientistas sabem a freqüência de ressonância na qual a maior parte dos fótons é absorvida, mas não a usam. Eles emitem fótons com uma freqüência próxima, e passam a depender do Efeito Doppler, segundo o qual uma freqüência aumenta quando se aproxima do observador e se reduz quando se afasta. Apito de trem, ambulância, você sabe.

Vou kibar aqui a imagem da Wikipédia, que foi a explicação mais concisa que achei sobre resfriamento Doppler com lasers.

Resfriamento Doppler (Crédito: Wikimedia Commons)

 

Imagine um átomo com uma freqüência de ressonância de 120Hz.

1 - Assim quando um fóton na freqüência de 100Hz (valores fictícios) se aproxima de um átomo estacionário, nada acontece.

2 - Se o átomo está se afastando do fóton vai ser atropelado por ele (por estar bem mais lento) e verá a freqüência mais baixa, 80Hz.

3.1 - Caso o átomo esteja se movendo em direção ao fóton, o efeito doppler subirá a freqüência, para 120Hz e o fóton será absorvido. Como isso essencialmente é uma colisão frontal (sem vítimas) parte da energia cinética do átomo será perdida (3.2), mas como Lavoisier proíbe isso, a energia vai para o fóton que é reemitido pelo átomo. (3.3)

Laboratório GBAR
- Gravitational Behaviour of Anti hydrogen at Rest (Crédito: Suaudeau / Wikimedia Commons)

Para completar essa emissão é aleatória, pode ser em qualquer direção então dificilmente será na exata oposta, cancelando a perda de velocidade.

O método de Resfriamento Doppler é tão eficiente que com apenas algumas dezenas de colisões você consegue átomos lentos e frios. O grande pulo do gato foi testar e provar que ele funcionava com pósitrons tão bem quanto com elétrons.

Com os átomos frios e comportados eles podem ser usados em todo tipo de pesquisa. Uma delas pretende determinar se antimatéria tem as mesmas propriedades gravitacionais de matéria normal, mas isso é apenas o começo.

A pesquisa, feita por um grupo internacional foi publicada na Nature, com o título Laser cooling of antihydrogen atoms.

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