Matéria e Antimatéria , sábado, 24 de outubro de 2009 at 11:03, in

O ramo da física que estuda os constituintes básicos da matéria é a Física de Partículas Elementares. Neste campo existe uma teoria chamada de Modelo Padrão que é compatível com todos os resultados experimentais atualmente conhecidos. Segundo essa teoria a matéria tem dois tipos de constituintes, os quarks e os léptons. Os primeiros nunca são observados isoladamente mas se agregam para formar os hádrons. Os hádrons mais conhecidos são o próton e o nêutron, formados por três quarks e principais constituintes dos núcleos atômicos. Os quarks mais abundantes na natureza são o up e o down. O próton é formado por dois quarks up e um quark down enquanto que o nêutron se constitui de um up e dois do tipo down. O lépton mais conhecido é o elétron, responsável pela ligação entre os átomos e, consequentemente, pela formação de moléculas. Há um outro lépton, chamado neutrino que não possui carga elétrica e é muito difícil de ser observado.

Essas quatro partículas formam a chamada primeira geração e constituem todos os corpos que nos rodeiam. O Modelo Padrão não impede ou exige que existam outras gerações de quarks e léptons, a única restrição é que cada geração deve ter dois quarks e dois léptons como a primeira. Medidas experimentais realizadas no CERN indicam que existem três gerações.

O Modelo Padrão também prevê a existência de antipartículas, antiquarks e antiléptons. Uma antipartícula tem a carga elétrica oposta à da partícula, para o caso dos quarks e do lépton carregado, e se aniquila ao se chocar com seu parceiro, transformando massa em energia. Assim, as antipartículas da primeira geração são os antiquarks - antiup e antidown - e os antiléptons - antielétron (também chamado pósitron) e antineutrino. Da mesma forma que os quarks se agregam constitundo hádrons, que por sua vez formam átomos se juntando a elétrons, os antiquarks podem constituir antihádrons e antiátomos.

Antihádrons e antiléptons são produzidos tanto em colisões realizadas em aceleradores de partículas quanto em chuveiros de partículas produzidos por raios cósmicos. A primeira antipartícula foi observada em 1933 por C. D. Anderson¹ ao analisar emulsões fotográficas expostas a raios cósmicos.

O único mecanismo conhecido de criação de partículas e antipartículas é a produção de pares, que é o inverso do processo de aniquilação। No momento da produção, uma certa quantidade de energia é usada para criar simultaneamente uma partícula e sua antipartícula.

Por que existe mais matéria do que antimatéria?

LHCb - Um experimento para responder a essa pergunta

Leandro de Paula e Miriam Gandelman

Uma das perguntas mais interessantes para a qual a física atual procura resposta é: onde está parte da antimatéria criada no Big Bang? Com o objetivo de encontrar ao menos parte da resposta, está sendo preparado, com a contribuição de pesquisadores brasileiros, um experimento a ser realizado no Laboratório Europeu de Partículas Elementares (CERN).

Onde está a antimatéria?

A teoria mais aceita para a criação do universo é a do Big Bang que diz que tudo se iniciou em uma grande explosão. Nos primeiros instantes o universo não era constituído por matéria mas sim por energia sob forma de radiação. O universo então passou a se expandir e, conseqüentemente, a se resfriar. Pares de partícula-antipartícula eram criados e aniquilados em grande quantidade. Com a queda de temperatura a matéria pôde começar a formar hádrons, assim como a antimatéria a formar antihádrons, pois matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais. Atualmente, no entanto, parece que vivemos em um universo onde só há matéria. O que aconteceu, então, à antimatéria que foi criada em associação a esta matéria?

Na realidade, já é estranho que o universo exista, pois, quando a matéria e a antimatéria se encontram, o processo inverso da criação ocorre, ou seja, elas se aniquilam gerando apenas energia nesse processo. Seria altamente provável, portanto, que logo após terem sido criadas, partículas e antipartículas se aniquilassem, impedindo que corpos mais complexos como hádrons, átomos, moléculas, minerais e seres vivos pudessem se formar. Acredita-se que esse processo de criação e aniquilação realmente ocorreu para quase toda a matéria criada durante o início da expansão do universo, mas o simples fato de existirmos indica que ao menos uma pequena fração de matéria escapou a esse extermínio precoce.

É possível que algum processo, de origem desconhecida, tenha provocado uma separação entre a matéria e a antimatéria. Neste caso existiriam regiões do universo em que a antimatéria e não a matéria seria mais abundante. Planejam-se alguns experimentos no espaço para procurar essas regiões. No entanto, como até hoje não se conhece um processo capaz de gerar tal separação, a maioria dos cientistas não acredita nessa hipótese.

Por outro lado, existe a possibilidade de que a natureza trate de forma ligeiramente diferente a matéria e a antimatéria. Se isto for verdade seria possível que uma pequena fração da matéria inicialmente criada tenha sobrevivido e formado o universo conhecido hoje. Há resultados experimentais e teóricos que apontam nesta direção.

Em 1966, um físico russo de nome Andrei Sakharov² delineou três condições necessárias para que aparecesse esse desequilíbrio entre matéria e antimatéria. A primeira diz que os prótons devem decair, a segunda restringe a maneira como o universo esfriou após o Big Bang e a terceira descreve uma diferença de propriedade, mensurável, entre matéria e antimatéria. Até hoje não houve nenhuma observação experimental do decaimento de um próton, entretanto espera-se que isto seja um evento tão raro que não estaria ao alcance dos métodos experimentais atuais. As condições de não equilíbrio do esfriamento do universo são compatíveis com os modelos teóricos existentes e com as observações realizadas. O ponto

crucial para comprovar a hipótese de Sakharov é o estudo da diferença de comportamento entre a matéria e a antimatéria. Isto está no limitede nossa capacidade experimental e existem, no momento, vários experimentos em preparação para tentar observá-la.

Simetrias e Física de Partículas

Na Física de Partículas as simetrias desempen ham um papel muito importante, pois elas podem dar informações sobre os processos que estamos interessados em estudar. Antes de tentar entender como isto pode ser feito, vam os apresentar algumas simetrias.

• Reversão temporal (T). A rev ersão temporal consiste em inverter a direção do eixo do tempo. Para entender como esta operaçã o pode ser uma simetria conservada ou violada vamos recorrer a dois exemplos. Uma bola é lançada em direç ão a uma das tabelas de uma mesa de sinuca, colide com ela e volta ao ponto de saída. Este processo é filmado mas o filme se inicia com a bola já em movimento. Uma pessoa assiste ao filme duas vezes, na primeira ele é projetado como foi filmado e na segunda é passado de trás para frente. Esse espectador não poderá dizer quais das duas projeções corresponde ao sentido real. Neste caso, dizemos que a simetria T é conservada. Agora imagine o filme de um jarro que cai de uma mesa e se quebra ao atingi r o chão. Não ha verá dificuldade em diferenciar a seqüência projetada na direção em que foi filmada da passada na direção oposta. Este é um processo para o qual a reversão temporal não é válida, dizemos que ne ste caso a simetria टी é violada।
  

Figura 1: A o peração de inversão de paridade corresponde a realizar uma observação através de um espelho que inverta as três coordenadas espaciais.

• Paridade (P). A paridade é a inversão das coordenadas espaciais. Corresponde a observar um fenômeno através de um espelho especial que produz uma imagem que não só inverte os corpos de trás para frente, como é o caso dos espelhos usuais, mas também da esquerda para a direita e de baixo pa ra cima. Para saber se a paridade P é conservada devemos realizar uma experiência e observar o que ocorre através do espelho. Por exemplo, uma pessoa acena com a mão direita na frente de um espelho e isto é filmado por duas câmaras, uma focaliza diretamente a pessoa e a outra através do espelho. Ao projetar o primeiro filme veremos a imagem de uma pessoa acenando com a mão direita enquanto que a projeção do filme feito através do espelho mostrará uma pessoa acenando com a mão esquerda. Neste caso dizemos que a simetria P é violada. Já ao observarmos imagens de uma esfera perfeita, não poderemos diferenciar uma foto tirada diretamente do objeto de uma tirada através de um espelho. Neste caso teremos a co nservação da simetria P.
• Conjugação de carga (C). Esta simetria consiste em trocar uma partícula por sua antipartícula. Testar esta simetria é mais complicado, pois é necessário observar o comportamento de partículas e antipartículas. Podemos exemplificar com o decaimento do nêutron. Esta partícula, quando fora de um núcleo atômico, decai emitindo um próton, um elétron e um antineutrino. No processo em que o antinêutron decai emitindo um antipróton, um pósitron e um neutrino a conjugação de carga é conservada.

Pegue uma partícula, substitua-a por sua antipartícula, olhe-a através do espelho especial citado acima e reverta a direção do tempo. Essa receita aplicada a qualquer partícula deveria resultar em algo indistinguível da partícula inicial. Em linguagem um pouco mais técnica diríamos, aplique a operação CPT e observe que isto é uma simetria conservada. Parece algo muito abstrato, mas essa é a chave para se entender a falta de antimatéria no universo. Acredita-se que a simetria CPT seja conservada pois além de todas as teorias aceitas serem invariantes por esta simetria, não foi encontrado nenhum sinal de violação em qualquer dos experimentos até hoje realizados com o objetivo de testá-la.

Para ilustrar a capacidade da simetria de fornecer informações sobre a natureza, podemos recorrer a mais um exemplo. Imagine uma esfera perfeita sendo observada através de um espelho: não é possível distinguir

o objeto de sua imagem e temos um caso de conservação da simetria P. Já, se houver uma pequena imperfeição na esfera (uma palavra escrita nela), haverá uma diferença clara entre ela e sua imagem. Logo, a observação da violação de uma simetria pode indicar diferenças entre objetos. Para explicar a existência de um universo em que existe mais matéria do que antimatéria é necessário encontrar uma violação de simetria entre partículas e antipartículas.

Durante certo tempo, os físicos pensavam que as três simetrias descritas acima aplicadas separadamente a qualquer interação entre partículas não mudaria o resultado, ou seja, que essas simetrias seriam conservadas.

No entanto, resultados de experimentos mostraram que nas interações fracas P e C não se conservam. Do mesmo modo, a combinação CP (CP corresponde a olhar a partícula pelo espelho descrito acima e em seguida troca-lá por sua antipartícula) não se conserva também. É essa violação de CP, vista pela primeira vez no laboratório de Brookhaven³ nos Estados Unidos, que é a base da terceira condição de Sakharov. A violação de CP, segundo ele, é necessária para termos o desequilíbrio entre matéria e antimatéria.

Figura 2: A diferença entre estas duas curvas, uma mostrando o decaimento de partículas chamadas káons neutros e a outra o decaimento de antikáons neutros, indica a preferência da natureza pela matéria. A violação de CP foi descoberta pela primeira vez nos decaimentos dos káons. A unidade de tempo usada no gráfico acima equivale a, aproximadamente, 100 ps (100 picosegundos ou 10^-10 segundos).

Fazer experimentos para medir a violação de CP não é uma tarefa fácil. Trata-se de um efeito pequeno, comparável a uma pessoa que acenasse para si própria na frente do espelho mil vezes e só uma vez visse sua reflexão acenando de volta com a outra mão.

A teoria atualmente usada para descrever as interações entre as partículas, o Modelo Padrão, pode acomodar a violação de CP, mas não a explica. Existem até indícios de que o grau de violação de CP possível no Modelo Padrão não seria grande o suficiente para explicar o desequilíbrio matéria-antimatéria. Dessa maneira, os experimentos projetados para estudar a violação de CP não só contribuirão para elucidar o problema do excesso de matéria no universo, como poderão indicar o caminho para novas teorias sobre as interações fundamentais.

http://omnis.if.ufrj.br/~leandro/divulga/cp/node1.html