Cosmologia

Por que o Universo é feito de matéria e não de antimatéria? Um novo experimento dá uma dica tentadora.

2024

Cientistas atirando neutrinos pela Terra podem dei um passo decente para responder a uma das questões mais básicas e agravantes que o Universo nos lançou: por que tudo é feito de matéria e não de antimatéria?

Oh, você conhece o termo antimatéria . Um grampo da ficção científica, incluindo Jornada nas Estrelas , é o mesmo que a matéria, mas com uma carga elétrica oposta. Portanto, um anti-elétron, chamado pósitron, tem exatamente as mesmas propriedades de um elétron, mas tem uma carga elétrica positiva em vez de negativa. Um antipróton é como um próton, mas com uma carga negativa e assim por diante.

Outra propriedade divertida da antimatéria é que se você pegar uma partícula e sua antipartícula e juntá-las, bang. Big, big bang: eles se convertem em energia pura. UMA muito de energia. Se eu conhecesse o anti-Phil e decidíssemos dançar, explodiríamos com a mesma energia que 3.500 armas nucleares de um megaton .

A antimatéria não é má, mas você não quer combiná-la com a matéria. Crédito: Phil Plait

E isso é um problema (além de estragar uma rave). Você vê, de acordo com as leis da física como as entendemos, quando o Universo era muito jovem - apenas alguns minutos de idade - e sua temperatura caiu o suficiente à medida que se expandia , deveria ter criado quantidades iguais de matéria e antimatéria.

Mas se isso fosse verdade, cada partícula teria encontrado sua antipartícula, e ka culpa . Não deveria haver matéria ou antimatéria no cosmos. Todos eles teriam aniquilado. E ainda assim aqui estamos.

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Na realidade, os dois não eram iguais. Para cada bilhão ou mais de pares de partículas de matéria / antimatéria, havia uma partícula de matéria restante. Não muito, mas o suficiente para explicar todas as galáxias, estrelas, planetas, pessoas e xícaras de chá Earl Grey que vemos hoje depois que todos os outros pares foram aniquilados.

Mas por que? Por que a assimetria?

Deve ser que nossas leis de simetria matéria / antimatéria são de alguma forma violadas, que a antimatéria não é exatamente como matéria de alguma forma. Mas o que?

Os cientistas vêm procurando por essa assimetria há muito tempo . A física detalhada é interessante - há uma explicação fantástica sobre isso no site do experimento DAEδALUS - mas você não precisa de tudo para entender a próxima parte, que é o que os cientistas estão fazendo para encontrá-la.

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OK, vamos fazer uma viagem secundária aqui por um segundo. Existe outro tipo de partícula subatômica chamada neutrino. Tem muitas propriedades estranhas, como ser capaz de passar por um monte de matéria normal como se ela não estivesse lá; simplesmente não interage muito com a matéria. Um pouquinho, mas não muito. Eles também vêm em três sabores diferentes, chamados de neutrinos de múon, elétron e tau. Um tipo de neutrino pode se transformar espontaneamente em outro tipo à medida que viaja pelo espaço.

E a razão pela qual estou mencionando-os aqui é que quando você passa pelas equações incrivelmente complexas que regem os neutrinos e seus equivalentes de antimatéria, você encontra uma dica de que eles podem não agir da mesma forma. Pode haver, de fato, uma assimetria, então é aí que os cientistas concentraram seus esforços.

E é aqui que chegamos à parte muito interessante: Cientistas com a colaboração T2K acabado de anunciar eles podem ter medido esta violação de simetria em neutrinos . Os resultados não são sólidos como uma rocha, mas são muito interessantes.

O experimento envolve a criação de um feixe de neutrinos muon e dispará-lo a partir do Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC) através da Terra sólida a 295 quilômetros de distância até o detector de neutrino Super-Kamiokande.

Eles fazem isso acelerando os prótons em uma amostra de carbono, que então expelem neutrinos do múon em um feixe que visa Super-Kamiokande. Quando eles chegarem um milissegundo depois (!!), muito, muito poucos desses neutrinos atingirão um átomo nas 50.000 toneladas de água supremamente pura armazenada em um tanque e criar um múon, outro tipo de partícula. A maioria dos neutrinos passa direto, porém, e é por isso que foram necessários 20 anos batendo carbono com prótons para obter quaisquer resultados.

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Mas alguns deles mudam de sabor, tornando-se elétron neutrinos naquele curto espaço de tempo antes de chegarem ao tanque de água. Quando isso acontece, eles atingem os átomos do tanque e criam um elétron em vez de um múon.

Além disso, JPARC pode criar múon anti neutrinos também. A mesma coisa acontece: alguns fazem múons no tanque e alguns se transformam em antineutrinos de elétrons e produzem elétrons.

Encontrar a antimatéria é fácil se você souber quais pistas procurar. Crédito: Shutterstock / Phil Plait

Se a simetria matéria / antimatéria for mantida, então a proporção de múons para elétrons gerados por neutrinos deve ser a mesma que para antineutrinos. Mas o que eles descobriram é que a proporção parece ser diferente! Os neutrinos de múon parecem se transformar em neutrinos de elétrons mais do que seus equivalentes de antimatéria.

Muito grande, se for verdade.

As leis da física distinguem entre matéria e antimatéria? Este experimento sugere que a resposta é sim. O problema é que não é definitivo. O padrão ouro é que, estatisticamente, você tenha 99,7% de confiança em um resultado (chamado de padrão 5-sigma). Este resultado tem baixo número de resultados, dando uma certeza estatística de 'apenas' 95% (3 sigma). É muito provocativo, mas não concreto, e ainda não pode ser chamado de descoberta.

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Ah, mas é tããão tentador.

Nas equações diabólicas que governam o comportamento do neutrino que está sendo testado, existe um parâmetro chamado delta-CP; se há diferença entre matéria e antimatéria, é nesse número. Pode assumir muitos valores na teoria, mas este experimento parece excluir cerca de metade deles na prática. Isso restringe exatamente onde os cientistas precisam olhar nas equações para ver como o Universo se comporta, por que ele prefere matéria à antimatéria. É necessário muito mais trabalho, mas esses resultados parecem pelo menos apontar em uma direção a seguir, que é mais do que tínhamos antes.

E ei: ao longo do caminho de compreensão, apenas Por quê o cosmos gosta de um tipo de partícula em vez de outro, podemos descobrir Como as para fazer um sobre o outro. E então quem sabe aonde seremos capazes de ir com ousadia?