Duas equipas de físicos do CERN correm para realizar um feito extraordinário: transportar antimatéria pela primeira vez. A antimatéria – a imagem espelhada da matéria – é difícil de criar e tem vida extremamente curta, porque em contato com a matéria ela se aniquila instantaneamente. Uma equipe quer mover a antimatéria para que possa ser estudada com maior precisão, e a outra irá usá-la para sondar materiais nos primeiros experimentos desse tipo.
“Se conseguirmos fazê-lo, abre-se um enorme número de oportunidades”, diz James Dunlop, físico do Laboratório Nacional Brookhaven em Upton, Nova Iorque, cuja investigação inclui a observação de antimatéria em escalas de nanossegundos.
A antimatéria cai, não sobe: experimento do CERN confirma a teoria
Cada partícula de matéria tem uma contraparte de antimatéria: sua imagem espelhada, com carga oposta. Os físicos pensam que a antimatéria e a matéria foram criadas em quantidades iguais durante o Big Bang. Mas a razão pela qual o Universo parece agora ser feito predominantemente de matéria comum é um mistério.
Acredita-se que a antimatéria seja a substância mais cara da Terra – custaria trilhões de dólares para produzir um grama. O CERN, o laboratório europeu de física de partículas nos arredores de Genebra, na Suíça, é o único lugar no mundo que torna as antipartículas suficientemente lentas para serem capturadas e armazenadas, e esperançosamente transportadas, sem serem aniquiladas. Dois projetos lá – PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation) e BASE-STEP – têm como objetivo transportar antimatéria para outros laboratórios, provavelmente no segundo semestre do próximo ano.
Entrega de antimatéria
Cada equipe está levando a antimatéria para a estrada por motivos diferentes. O BASE-STEP quer mover os antiprótons – equivalentes aos prótons – para um local livre de ruído experimental, onde possam ser examinados com mais detalhes. A PUMA planeja transportar antiprótons para uma instalação onde outros materiais de vida curta são produzidos e usar a antimatéria para sondar suas estruturas nucleares.
A viagem inaugural de cada projeto levará apenas algumas horas e passará apenas pelo site do CERN. Mas, eventualmente, as equipas esperam fazer viagens mais longas a universidades em toda a Europa, dando a mais laboratórios a oportunidade de fazer experiências com antimatéria. O BASE-STEP pretende transportar antiprótons por cerca de 700 quilômetros até a Universidade Heinrich Heine em Düsseldorf, onde parte de sua equipe está baseada.
A corrida para revelar os segredos da antimatéria
Este tipo de serviço de entrega “democratizaria a utilização, ou o estudo, da antimatéria”, afirma Alexandre Obertelli, físico da Universidade Técnica de Darmstadt (TU Darmstadt), na Alemanha, e arquitecto da experiência PUMA.
Capturando antiprótons
As “armadilhas” especializadas necessárias para armazenar os antiprótons durante sua jornada levaram anos para serem fabricadas. Em outubro, o BASE-STEP realizou uma corrida simulada, transportando matéria regular em sua armadilha na traseira de um caminhão. No dia 4 de dezembro, a equipe PUMA planeja enviar sua armadilha vazia de onde foi construída na TU Darmstadt para o CERN. Lá, a equipe inserirá antimatéria na engenhoca e iniciará os testes.
Para mover a antimatéria, os físicos devem suspendê-la e resfriá-la em “garrafas” magnéticas. Eles exigem ímãs supercondutores para manter os antiprótons no lugar, de modo que eles pairem sem tocar nas laterais. Um gerador de energia móvel alimentará os ímãs e um sistema de resfriamento que manterá os antiprótons a uma temperatura fria de 4 Kelvin (-269 ºC). O hélio líquido atuará como refrigerante de reserva.
Os neutrinos podem esclarecer por que o Universo tem muito mais matéria do que antimatéria
Talvez o maior desafio seja manter um alto vácuo para evitar que a antimatéria encontre partículas de matéria dispersa e se aniquile. Isso deve ser feito durante a criação de sistemas para liberar a antimatéria ou permitir que outros materiais entrem na armadilha para realizar experimentos. Todo o kit precisa ser portátil e adaptado para suportar as forças e vibrações da estrada. “Creio que isto é certamente viável, mas apenas difícil”, afirma Dunlop.
Ainda não existem regulamentações oficiais sobre como a antimatéria deve ser transportada, diz Obertelli. O autor Dan Brown levantou temores sobre os perigos da substância em seu livro Anjos e Demôniosem que terroristas roubam um quarto de grama do CERN para usar como bomba. Obertelli diz que não há necessidade de preocupação. Mesmo que todos os antiprótons que a PUMA planeja transportar fossem aniquilados de uma só vez, a energia liberada seria equivalente ao impacto de um lápis caído da altura de uma mesa, diz ele. “Não há estrondo.”
A armadilha BASE-STEP sendo carregada em um caminhão durante um ensaio para transporte de antimatéria.Crédito: CERN
Questões existenciais
O CERN fabrica antimatéria em seu desacelerador antipróton. Um feixe de prótons atinge um alvo de metal, criando um jato de antiprótons em movimento rápido. O desacelerador usa ímãs, campos elétricos e outros métodos de resfriamento para desacelerar esses antiprótons. Cada um dos seis experimentos baseados na instalação retarda e retém as partículas. Embora outros laboratórios em todo o mundo criem antimatéria – por exemplo, durante colisões de partículas – o CERN é o único local que produz uma fonte utilizável de partículas para armazenar e estudar em detalhe.
A colaboração BASE, da qual BASE-STEP faz parte, é um dos vários grupos que estudam antimatéria no CERN. A equipe está medindo as propriedades de partículas individuais de antimatéria e comparando-as com as da matéria. Está à procura de diferenças que possam explicar enigmas como o motivo pelo qual os dois tipos de matéria não foram criados igualmente – o que teria destruído tudo logo após o Big Bang.
“Estamos tentando entender por que existimos”, diz Barbara Maria Latacz, membro do BASE-STEP baseado no CERN. Os experimentos ficam efetivamente dentro de um grande acelerador, que cria um ruído de fundo de campos magnéticos dispersos. Ao levar os antiprótons para um local tranquilo, a equipe espera melhorar a precisão de suas medições. “Será uma virada de jogo”, diz Latacz.
A armadilha do BASE-STEP conterá cerca de 1.000 antiprótons.Crédito: CERN
O BASE-STEP estudará apenas algumas partículas, por isso planeja transportar cerca de 1.000 antiprótons em uma configuração experimental de uma tonelada. Mas a PUMA precisa de mais de um bilhão de antiprótons. Os seus investigadores querem transportar antiprótons para as instalações ISOLDE do CERN, onde poderão estudar núcleos raros que se decompõem demasiado rapidamente para serem transportados.
Informações nucleares
Ao injetar esses núcleos na armadilha PUMA, a equipe poderá observar antiprótons se aniquilando com prótons e nêutrons. Isto dará aos cientistas uma visão única sobre a estrutura dos núcleos. Em particular, poderia fornecer informações sobre a “pele” dos nêutrons que se forma em alguns isótopos. “Esta é a única sonda realmente sensível” a esta região, diz Obertelli. “É muito difícil medir.”
O maior número de antiprótons do PUMA e o equipamento necessário para injetar isótopos e detectar as aniquilações significam que ele requer um sistema de armadilha muito maior do que o BASE-STEP, totalizando 10 toneladas de kit. O camião pesado terá de seguir um percurso sinuoso de 1,5 quilómetros até ISOLDE, diz Obertelli – porque o percurso directo envolve uma curva fechada e uma ponte demasiado fraca para suportar a massa do veículo.
Ambas as equipas devem integrar várias tecnologias numa única experiência, ao mesmo tempo que “levam-nas ao seu limite”, diz Ina Carli, física experimental do centro de física de partículas TRIUMF em Vancouver, Canadá, que estuda o anti-hidrogénio como parte da experiência ALPHA no CERN. Mesmo uma pequena falha no caminho poderia significar a perda dos antiprótons, e levaria semanas para preparar outra tentativa, diz ela.
“Sempre pensei que o transporte de antiprótons ainda demoraria muitos anos”, diz Carli. “Estou muito animado e mantendo os dedos cruzados.”
