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Anti-hidrogênio

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O anti-hidrogênio consiste em umantiprótone umpósitron.
Modelo simplificado de um átomo de anti-hidrogênio no estado fundamental

Oanti-hidrogênio(
H
) é a contraparte deantimatériadohidrogênio.Enquanto o átomo de hidrogênio[en]comum é composto de umelétrone umpróton,o átomo de anti-hidrogênio é composto de umpósitrone umantipróton.Os cientistas esperam que o estudo do anti-hidrogênio possa esclarecer a questão de por que há maismatériado queantimatériano universo observável, conhecido como o problema daassimetria bariônica.[1]O anti-hidrogênio é produzido artificialmente emaceleradores de partículas.

História experimental[editar|editar código-fonte]

Os aceleradores detectaram o anti-hidrogênio quente pela primeira vez na década de 1990.ATHENA[en]estudou
H
frio em 2002. Ele foi capturado pela equipe do Aparelho de física alaserde anti-hidrogênio (A.L.Ph.A.)[a][en]noC.E.R.N.[2][3]em 2010, que então mediu a estrutura e outras propriedades importantes.[4]A.L.Ph.A.,A.E.G.i.S.eG.B.A.R.planejam estudar e estudar ainda mais átomos
H
.

Medição da transição 1s – 2s[editar|editar código-fonte]

Em 2016, o experimento doA.L.Ph.A.[en]mediu atransição atômica de elétronsentre os doisníveis de energiamais baixos do anti-hidrogênio, 1s – 2s. Os resultados, que são idênticos aos do hidrogênio dentro da resolução experimental, apóiam a ideia de simetria matéria-antimatéria esimetria C.P.T..[5]

Na presença de um campo magnético, a transição 1s – 2s divide-se em duas transiçõeshiperfinascom frequências ligeiramente diferentes. A equipe calculou as frequências de transição para o hidrogênio normal sob o campo magnético no volume de confinamento como:

fdd=2466061103064(2) kHz
fcc=2466061707104(2) kHz

Uma transição de fóton único entre os estados "s" é proibida pelas regras de seleção[en]quântica, portanto, para elevar os pósitrons do estado fundamental ao nível 2s, o espaço de confinamento foi iluminado por umlasersintonizado para metade das frequências de transição calculadas, estimulando aabsorção de dois fótonspermitida.

Átomos de anti-hidrogênio excitados para o estado 2s podem então evoluir de várias maneiras:

  • Eles podem emitir dois fótons e retornar diretamente ao estado fundamental como estavam;
  • Eles podem absorver outro fóton, que ioniza o átomo;
  • Eles podem emitir um único fóton e retornar ao estado fundamental por meio do estado 2p – nesse caso, ospindo pósitron pode mudar ou permanecer o mesmo.

Ambos os resultados de ionização espin-flipfazem com que o átomo escape do confinamento. A equipe calculou que, assumindo que o anti-hidrogênio se comporta como o hidrogênio normal, cerca de metade dos átomos de anti-hidrogênio seriam perdidos durante a exposição à frequência ressonante, em comparação com o caso semlaser.Com a fonte delasersintonizada em 200kHzabaixo da metade das frequências de transição, a perda calculada foi essencialmente a mesma do caso semlaser.

A equipe doA.L.Ph.A.fez lotes de anti-hidrogênio, manteve-os por 600 segundos e depois diminuiu o campo de confinamento por 1,5 segundo enquanto contava quantos átomos de anti-hidrogênio foram aniquilados. Eles fizeram isso em três condições experimentais diferentes:

  • Ressonância: expondo os átomos de anti-hidrogênio confinados a uma fonte delasersintonizada exatamente na metade da frequência de transição por 300 segundos para cada uma das duas transições;
  • Fora da ressonância: expondo os átomos de anti-hidrogênio confinados a uma fonte delasersintonizada 200kilohertzabaixo das duas frequências de ressonância por 300 segundos cada;
  • Semlaser:confinando os átomos de anti-hidrogênio sem qualquer iluminação alaser.

Os dois controles, fora da ressonância e semlaser,eram necessários para garantir que a própria iluminação dolasernão estivesse causando aniquilações, talvez liberando átomos normais da superfície do recipiente de confinamento que poderiam então se combinar com o anti-hidrogênio.

A equipe realizou 11 execuções dos três casos e não encontrou nenhuma diferençasignificativaentre as de fora da ressonância e as semlaser,mas uma queda de 58% no número de eventos detectados após as execuções com ressonância. Eles também foram capazes de contar eventos de aniquilação durante as execuções e encontraram um nível mais alto durante as execuções com ressonância, novamente sem diferença significativa entre as execuções fora da ressonância e as semlaser.Os resultados estavam de acordo com as previsões baseadas em hidrogênio normal e podem ser "interpretados como um teste de simetria C.P.T. com uma precisão de 200ppt".[6]

Características[editar|editar código-fonte]

Oteorema C.P.T.da física de partículas prevê que os átomos de anti-hidrogênio têm muitas das características do hidrogênio regular; ou seja, a mesmamassa,momento magnéticoe frequências de transição de estado atômica (consulteEspectroscopia atômica[en]).[7]Por exemplo, espera-se que os átomos de anti-hidrogênio excitados brilhem da mesma cor que o hidrogênio comum. Átomos de anti-hidrogênio devem seratraídos por outra matéria ou antimatéria gravitacionalmentecom uma força da mesma magnitude que os átomos de hidrogênio comuns experimentam.[2]Isso não seria verdade se a antimatéria tivessemassa gravitacionalnegativa, o que é considerado altamente improvável, embora ainda não seja empiricamente refutado (vejaInteração gravitacional da antimatéria).[8]Estrutura teórica recente para massa negativa e gravidade repulsiva (antigravidade) entre matéria e antimatéria foi desenvolvida, e a teoria é compatível com o teorema C.P.T.[9]

Quando o anti-hidrogênio entra em contato com a matéria comum, seus constituintes seaniquilamrapidamente. O pósitron se aniquila com um elétron para produzirraios gama.O antipróton, por outro lado, é composto de antiquarksque se combinam comquarksem nêutrons ou prótons, resultando empíonsde alta energia, que rapidamente decaem emmúons,neutrinos,pósitronseelétrons.Se os átomos de anti-hidrogênio fossem suspensos em umvácuoperfeito, eles deveriam sobreviver indefinidamente.

Como um anti-elemento, espera-se que tenha exatamente as mesmas propriedades que o hidrogênio.[10]Por exemplo, o anti-hidrogênio seria um gás em condições padrão e se combinaria com o anti-oxigênio para formar anti-água,
H
2
O
.

Produção[editar|editar código-fonte]

O primeiro anti-hidrogênio foi produzido em 1995 por uma equipe liderada por Walter Oelert[en]noC.E.R.N.[11]usando um método proposto pela primeira vez por Charles Munger Jr, Stanley Brodsky[en]e Ivan Schmidt Andrade.[12]

No Anel de antiprótons de baixa energia (L.E.A.R.)[b]{[en],antiprótons de umaceleradorforam disparados contra aglomerados[c][en]dexenônio,[13]produzindo pares elétron-pósitron. Antiprótons podem capturar pósitrons com probabilidade de cerca de10−19,então este método não é adequado para produção substancial, conforme calculado.[14][15][16]OFermilabmediu uma seção transversal um tanto diferente,[17]de acordo com as previsões daeletrodinâmica quântica.[18]Ambos resultaram em antiátomos altamente energéticos ou quentes, inadequados para estudos detalhados.

Posteriormente, oC.E.R.N.construiu oDesacelerador de antiprótons(A.D.)[d][en]para apoiar os esforços em direção ao anti-hidrogênio de baixa energia, para testes de simetrias fundamentais. OA.D.fornecerá vários grupos doC.E.R.N..OC.E.R.N.espera que suas instalações sejam capazes de produzir 10 milhões de antiprótons por minuto.[19]

Anti-hidrogênio de baixa energia[editar|editar código-fonte]

Experimentos das colaboraçõesA.Trap.eAthen.A.noC.E.R.N.reuniram pósitrons e antiprótons emarmadilhas de Penning,resultando em síntese a uma taxa típica de 100 átomos de anti-hidrogênio por segundo. O anti-hidrogênio foi produzido primeiro peloAthen.A.(em 2002),[20]depois pelaA.Trap.[21]e, em 2004, milhões de átomos de anti-hidrogênio foram produzidos. Os átomos sintetizados tinham uma temperatura relativamente alta (alguns milhares dekelvins) e, como consequência, "batiam" nas paredes do aparato experimental e se aniquilavam. A maioria dos testes de precisão requer longos tempos de observação.

OA.L.Ph.A.,um sucessor da colaboraçãoAthen.A.,foi formado para capturar de forma estável o anti-hidrogênio.[19]Enquanto eletricamente neutro, seusmomentos magnéticosdespininteragem com um campo magnético que não é homogêneo; alguns átomos serão atraídos por um mínimo magnético, criado por uma combinação de espelhos e campos multipolares.[22]

Em novembro de 2010, a colaboraçãoA.L.Ph.A.anunciou que havia capturado 38 átomos de anti-hidrogênio por um sexto de segundo,[23]o primeiro confinamento de antimatéria neutra. Em junho de 2011, eles prenderam 309 átomos de anti-hidrogênio, até 3 simultaneamente, por até 1.000 segundos.[24]Eles então estudaram sua estrutura hiperfina, efeitos de gravidade e carga. OA.L.Ph.A.continuará as medições junto com os experimentosA.Trap.,A.E.G.i.S.eG.B.A.R..

Átomos de antimatéria maiores[editar|editar código-fonte]

Átomos de antimatéria maiores, como o antideutério (
D
), antitrítio (
T
) e anti-hélio (
He
) são muito mais difíceis de produzir. Núcleos de antideutério,[25][26]anti-hélio-3 (3
He
)[27][28]e anti-hélio-4 (4
He
)[29]foram produzidos com velocidades tão altas que a síntese de seus átomos correspondentes apresenta vários obstáculos técnicos.

Ver também[editar|editar código-fonte]

Notas[editar|editar código-fonte]

  1. ↑do inglêsantihydrogenlaserphysicsapparatus
  2. ↑do inglêslowenergyantiprotonring
  3. ↑do inglêsclusters)
  4. ↑do inglêsantiprotondecelerator

Referências

  1. ↑«Antimatter atoms are corralled even longer» [Átomos de antimatéria ficam encurralados por ainda mais tempo].BBC News(em inglês). 6 de junho de 2011.Consultado em 28 de setembro de 2023
  2. ↑abReich, Eugenie Samuel (2010). «Antimatter held for questioning» [Antimatéria mantida para questionamento].Nature(em inglês).468(7322). 355 páginas.Bibcode:2010Natur.468..355R.PMID21085144.doi:10.1038/468355aAcessível livremente
  3. ↑eiroforum.org –CERN: Antimatter in the trap–C.E.R.N.:Antimatéria na armadilha(em inglês)Arquivado em2014-02-03 noWayback Machine,dezembro de 2011, acessado em 8 de junho de 2012
  4. ↑«Internal structure of antihydrogen probed for the first time» [Estrutura interna do anti-hidrogênio investigada pela primeira vez].Physics World(em inglês). 7 de março de 2012
  5. ↑Castelvecchi, Davide (19 de dezembro de 2016).«Ephemeral antimatter atoms pinned down in milestone laser test» [Átomos efêmeros de antimatéria identificados em teste delasermarcante].Nature(em inglês).doi:10.1038/nature.2016.21193.Consultado em 20 de dezembro de 2016
  6. ↑Ahmadi, M; et al. (19 de dezembro de 2016).«Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen» [Observação da transição 1S–2S no antihidrogênio aprisionado](PDF).Nature(em inglês).541(7638): 506–510.Bibcode:2017Natur.541..506A.PMID28005057.doi:10.1038/nature21040Acessível livremente
  7. ↑Grossman, Lisa (2 de julho de 2010).«The coolest antiprotons» [Os antiprótons mais frios].Physical Review Focus(em inglês).26(1)
  8. ↑«Antihydrogen trapped for a thousand seconds» [Antihidrogênio preso por mil segundos].Technology Review(em inglês). 2 de maio de 2011
  9. ↑Du, Hong.«Application of new relativistic quantum wave equation on hydrogen atom and its implications on antimatter gravitational experiments» [Aplicação da nova equação de onda quântica relativística no átomo de hidrogênio e suas implicações em experimentos gravitacionais de antimatéria](em inglês).Cópia arquivada em 26 de abril de 2021
  10. ↑Palmer, Jason (14 de março de 2012).«Antihydrogen undergoes its first-ever measurement» [Anti-hidrogênio passa pela primeira medição].BBC News(em inglês)
  11. ↑Freedman, David H. (janeiro de 1997).«Antiatoms: here today...» [Antiátomos: aqui hoje...].Discover Magazine(em inglês)
  12. ↑Munger, Charles T. (1994). «Production of relativistic antihydrogen atoms by pair production with positron capture» [Produção de átomos de anti-hidrogênio relativísticos por produção de pares com captura de pósitrons].Physical Review D(em inglês).49(7): 3228–3235.Bibcode:1994PhRvD..49.3228M.PMID10017318.doi:10.1103/physrevd.49.3228
  13. ↑Baur, G.; Boero, G.; Brauksiepe, A.; Buzzo, A.; Eyrich, W.; Geyer, R.; Grzonka, D.; Hauffe, J.; Kilian, K.; LoVetere, M.; Macri, M.; Moosburger, M.; Nellen, R.; Oelert, W.; Passaggio, S.; Pozzo, A.; Röhrich, K.; Sachs, K.; Schepers, G.; Sefzick, T.; Simon, R.S.; Stratmann, R.; Stinzing, F.; Wolke, M. (1996).«Production of antihydrogen» [Produção de anti-hidrogênio].Physics Letters B[en](em inglês).368(3): 251ff.Bibcode:1996PhLB..368..251B.doi:10.1016/0370-2693(96)00005-6
  14. ↑Bertulani, Carlos A.; Baur, Gerhard (1988).«Pair production with atomic shell capture in relativistic heavy ion collisions» [Produção de pares com captura de concha atômica em colisões relativísticas de íons pesados](PDF).Brazilian Journal of Physics.18.559 páginas
  15. ↑Bertulani, Carlos A.; Baur, Gerhard (1988).«Electromagnetic processes in relativistic heavy ion collisions» [Processos eletromagnéticos em colisões relativísticas de íons pesados](PDF).Physics Reports.163(5–6). 299 páginas.Bibcode:1988PhR...163..299B.doi:10.1016/0370-1573(88)90142-1
  16. ↑Aste, Andreas; Hencken, Kai; Trautmann, Dirk; Baur, G. (1993).«Electromagnetic pair production with capture» [Produção de par eletromagnético com captura](PDF).Physical Review A(em inglês).50(5): 3980–3983.Bibcode:1994PhRvA..50.3980A.PMID9911369.doi:10.1103/PhysRevA.50.3980
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  21. ↑Gabrielse, G.; et al. (2002).«Driven production of cold antihydrogen and the first measured distribution of antihydrogen states» [Produção impulsionada de anti-hidrogênio frio e a primeira distribuição medida de estados de anti-hidrogênio](PDF).Physical Review Letters(em inglês).89(23): 233401.Bibcode:2002PhRvL..89w3401G.PMID12485006.doi:10.1103/PhysRevLett.89.233401
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  24. ↑Andresen, G. B. (Colaboração do A.L.Ph.A.[en]); et al. (2011). «Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds» [Confinamento de anti-hidrogênio por 1.000 segundos].Nature Physics(em inglês).7(7): 558–564.Bibcode:2011NatPh...7..558A.arXiv:1104.4982Acessível livremente.doi:10.1038/nphys2025
  25. ↑Massam, T; Muller, Th.; Righini, B.; Schneegans, M.; Zichichi, A. (1965). «Experimental observation of antideuteron production».Il Nuovo Cimento(em inglês).39(1): 10–14.Bibcode:1965NCimS..39...10M.doi:10.1007/BF02814251
  26. ↑Dorfan, D. E; Eades, J.; Lederman, L. M.; Lee, W.; Ting, C. C. (junho de 1965). «Observation of antideuterons» [Observação de antideutérios].Phys. Rev. Lett.(em inglês).14(24): 1003–1006.Bibcode:1965PhRvL..14.1003D.doi:10.1103/PhysRevLett.14.1003
  27. ↑Antipov, Y. M.; et al. (1974). «Observation of antihelium3 (in Russian)» [Observação do antihélio3 (em russo)].Yadernaya Fizika(em inglês).12:311
  28. ↑Arsenescu, R.; et al. (2003). «Antihelium-3 production in lead-lead collisions at 158 A GeV/c».New Journal of Physics[en](em inglês).5(1): 1.Bibcode:2003NJPh....5....1A.doi:10.1088/1367-2630/5/1/301Acessível livremente
  29. ↑Agakishiev, H.; et al. (2011). «Observation of the antimatter helium-4 nucleus» [Observação do núcleo de hélio-4 de antimatéria].Nature(em inglês).473(7347): 353–6.Bibcode:2011Natur.473..353S.PMID21516103.arXiv:1103.3312Acessível livremente.doi:10.1038/nature10079

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