Há um século, Werner Heisenberg abriu caminho para a constituição da teoria matricial da mecânica quântica, enquantoErwin Schrodinger descobriu a sua famosa equação que publicaria apenas no início de 1926. Foi o prelúdio de uma série de outros artigos monumentais onde desenvolveu a mecânica ondulatória da matéria, delineada em 1924, aos 32 anos, pelo francês Luís de Brogliequando defendeu sua tese de doutorado perante um júri que incluía Paulo Langevin e Jean Perrin. Perrin receberia o Prêmio Nobel de Física dois anos depois por sua demonstração da existência de átomos usando o trabalho deEinstein.
O grande amigo de Einstein, Paul Langevin, transmitiu então o trabalho de Louis de Broglie. A resposta do pai da teoria da relatividade e, em grande medida, da própria teoria quântica, é famosa: “ Ele levantou uma ponta do véu principal! “.
Mas se as ondas de matéria de Louis de Broglie foram uma ideia que lhe ocorreu usando a teoria quântica da luz de Einstein e as considerações de relatividade especialeu’Equação de Schrödinger era apenas uma aproximação não relativística, válida para partículas de matéria em baixa velocidades.
Tivemos que esperar até 1928 para que os britânicos Paulo Dirac descobre uma versão relativística da equação de Schrödinger de um elétron. Dirac diria mais tarde que sua equação era mais aprendida do que ele, porque sem que ele fosse capaz de prevê-la no início, ela magicamente deu um momento angular específico para elétrons e prótonsUm rodar como se diz hoje em dia, e acima de tudo continha nada menos que a existência deantimatéria. Assim, a existência de elétrons implicava através de esta equação a de seus antipartículas de carga oposta, o pósitrons.
Foi com apenas 26 anos, em 1928, que Paul Dirac formulou a equação que leva seu nome. E ele levou um ano inteiro para chegar lá! Neste 9e episódio de equações Chaves para a físicadescubra a história da equação de Dirac, que permitiu prever a existência da antimatéria… Uma verdadeira revolução! ©CEA
Antigravidade em cosmologia com antimatéria?
Na verdade, Dirac estava errado. Sua equação não era realmente uma versão relativística da equação de Schrödinger (embora muitas vezes possa ser usada como tal), mas uma equação de campo como as deeletromagnetismo que, no âmbito da teoria quântica, autorizou a criação ou destruição de pares de partículas e antipartículas com spin de valor meio inteiro – férmions como o povo diz físicos em seu jargão. Da mesma forma, o Equações de Maxwell poderia ser usado, uma vez complementado por relações quânticas, para descrever processos de criação e aniquilação de fótonspartículas com spin inteiro (mas sem cargas).
No entanto, acontece que na teoria daeletrodinâmica quântica desenvolvida por Dirac, usando a sua equação (esta teoria é na verdade um trabalho colectivo também resultante do trabalho de pioneiros essenciais como Heisenberg, Pauli e especialmente Fermi, para citar alguns) devem ser criadas tantas partículas de matéria como de antimatéria. Como entender quando aparentemente não existe noUniverso anti-observávelestrelas ou anti-galáxias formado principalmente por antiátomos dehidrogênio ?
Uma possível resposta a este enigma da falta de antimatéria em cosmologia é que numa teoria mais ampla devem existir, de uma forma ainda não compreendida, diferenças entre elétrons e pósitrons, prótons e antiprótons. Poderíamos também imaginar que a matéria e a antimatéria se repelem através do efeito da antigravidade e que no momento da Big Bangmatéria e antimatéria se repeliram para formar dois universos distintos no espaço – sem contato porque vemos que as partículas de matéria e suas antipartículas se aniquilam em pares de fótons quando colidem.
Algumas imagens e comentários sobre o experimento Alpha. Para obter uma tradução francesa bastante precisa, clique no retângulo branco no canto inferior direito. As legendas em inglês devem aparecer. Em seguida, clique na porca à direita do retângulo, depois em “Legendas” e por fim em “Traduzir automaticamente”. Escolha “Francês”. © A colaboração AlfaCern
Antihidrogênio, um laboratório para uma nova física
O CERN vem explorando esse caminho há mais de uma década, transformando-se primeiro em uma fábrica cada vez mais eficiente de antiprótons e pósitrons, depois em uma fábrica de átomos de anti-hidrogênio para realizar experimentos, notadamente com o experimento Alpha-g (Antihidrogênio Laser Aparelho de Física).
A ideia é rastrear diferenças entre prótons e antiprótons ou possíveis transições espectrais em átomos de hidrogênio e anti-hidrogênio. Também queríamos saber se os átomos de anti-hidrogênio caíam como átomos no campo gravitacional.
Os resultados dos experimentos são negativos no momento, mas talvez precisemos fazer medições mais precisas e para isso podermos produzir rapidamente muitos átomos de anti-hidrogênio. Compreendemos, portanto, o interesse no anúncio feito pelo Cern num comunicado de imprensa há algumas semanas, na altura em que também apareceu um artigo no Comunicações da Natureza.
Jeffrey Hangst, porta-voz do experimento Alpha-g, nos conta sobre o resultado relativo à queda livre da antimatéria. Para obter uma tradução francesa bastante precisa, clique no retângulo branco no canto inferior direito. As legendas em inglês devem aparecer. Em seguida, clique na porca à direita do retângulo, depois em “Legendas” e por fim em “Traduzir automaticamente”. Escolha “Francês”. © Cern
Na verdade, o comunicado de imprensa explica que, graças ao progresso experimental, é agora possível produzir mais de 15.000 átomos de anti-hidrogénio em menos de sete horas. Em experimentos anteriores de antigravidade, demorava cerca de 10 dias para produzir a mesma quantidade, levando Jeffrey Hangst a dizer: porta-fala do experimento Alpha que vemos nos dois vídeos anteriores que “ esses números teriam sido considerados ficção científica há dez anos. Se tivermos cada vez mais átomos de anti-hidrogénio disponíveis, seremos capazes de estudar a antimatéria atómica com mais detalhe e eficácia. “.
A tecnologia para produzir e armazenar antiprótons e pósitrons está disponível há décadas. O que era problemático era como sintetizar átomos de anti-hidrogênio em quantidades suficientes para fazer experimentos. Para isso, é necessário resfriar o gás de partículas de antimatéria para que se fundam, evitando que entrem em contato com a matéria comum.
2 milhões de átomos de anti-hidrogênio
É mais precisamente o arrefecimento dos pósitrons que é a chave do sucesso alcançado. Começamos por produzi-los pela desintegração deisótopos núcleos radioativos de sódio. Os pósitrons são então presos e armazenados no que é chamado de armadilha de Penning. Isso é uma armadilha íons permitindo o armazenamento de partículas carregadas, graças à combinação de um campo magnético uniforme e um campo elétrico quadrupolo constante. Foi o físico holandês FM Penning quem teve a ideia original desta armadilha, em 1936. O físico americano e ganhador do Prêmio Nobel Hans Dehmelt a colocou em prática criando um dispositivo particularmente adequado para a medição precisa das propriedades de íons e partículas subatômicas estáveis com carga elétrica.
Os pesquisadores então adicionam à armadilha um nuvem íons berílio resfriado por laser, para que os pósitrons percamenergia por um processo chamado resfriamento simpático. A nuvem de pósitrons é assim trazida de volta a uma temperatura de cerca de -266°C, o que torna muito mais provável a formação de átomos de anti-hidrogênio quando misturada com antiprótons, explica o comunicado de imprensa do Cern. Niels Madsen, vice-porta-voz da Alpha e chefe do projeto de resfriamento de pósitrons, também afirma que “ Esta nova técnica é uma verdadeira virada de jogo no que diz respeito às incertezas sistemáticas de nossas medições. Agora podemos acumular anti-hidrogênio durante a noite e medir uma linha espectral no dia seguinte »
O comunicado de imprensa conclui acrescentando: “ Usando esta técnica, o experimento Alpha produziu mais de 2 milhões de átomos de anti-hidrogênio durante os períodos operacionais de 2023 e 2024. Este ano, os investigadores estão a utilizar o número recorde de átomos de anti-hidrogénio para estudar o efeito do gravidade em antimatéria como parte do experimento Alpha-g. Esta técnica permitirá realizar medições ainda mais precisas e compreender melhor as propriedades e o comportamento da antimatéria atômica. »