ENERGIA MEMÓRIAS NA MATÉRIA E ANTI-MATÉRIA
superficie do sol
Este é o detector do RHIC, onde as partículas de anti-hélio-4 foram observadas pela primeira vez.[Imagem: Star Colaboration]
Anti-hélio
Um grupo internacional de cientistas, com participação de brasileiros, criou uma nova forma de antimatéria que é a maior e mais complexa anti-coisa já vista.
Até então, a antimatéria mais complexa e mais pesada já criada era um híbrido de hélio e hidrogênio, um anti-hélio-3, com dois antiprótons e um antinêutron.
Agora foram criados núcleos de anti-hélio verdadeiro, contendo dois antiprótons e dois antinêutrons, ou anti-hélio-4.
O anti-hélio foi detectado no Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC: Relativistic Heavy Ion Collider), que fica localizado em Upton, no estado de Nova Iorque. O colisor é operado pela Colaboração STAR, que reúne 584 cientistas de 54 instituições de 12 países diferentes
Criação da antimatéria
No ano passado, a equipe STAR anunciou a descoberta do anti-hipertríton, formado por um antipróton, um antinêutron e uma partícula instável chamada anti-lambda. O anti-hipertriton era então antipartícula mais pesada que se conhecia.
Mas os 18 núcleos de anti-hélio-4 observados agora bateram os recordes anteriores.
Anti-partículas têm carga elétrica oposta à das partículas de matéria ordinária - os antinêutrons, que são eletricamente neutros, são compostos de antiquarks que têm carga oposta à dos quarks normais.
As partículas de antimatéria aniquilam-se no contato com a matéria comum, emitindo um flash de raios gama, o que as torna notoriamente difíceis de encontrar e observar.
Mas isto vem mudando rapidamente. No ano passado cientistas conseguiram capturar a antimatéria pela primeira vez e, há poucas semanas, anunciaram o desenvolvimento de uma garrafa capaz de guardar antimatéria.
No RHIC, os cientistas colidem núcleos atômicos pesados, como chumbo e ouro, para formar bolas de fogo microscópicas, onde a energia é tão densa que podem ser criadas muitas novas partículas.
A anti-tabela periódica é também conhecida como Quadro 3-D dos Nuclídeos. [Imagem: RHIC]
Anti-Tabela Periódica
"Eles nos levaram para o próximo elemento da anti-tabela periódica," comentou Frank Close, da Universidade de Oxford, no Reino Unido.A Tabela Periódica normal organiza os elementos de acordo com seu número atômico (Z), que determina as propriedades químicas de cada elemento. Os físicos também trabalham com o eixo N, que dá o número de nêutrons no núcleo de cada átomo.
O terceiro eixo representa a estranheza (S), que é zero para toda a matéria que ocorre naturalmente, mas pode ser não-zero no núcleo de estrelas colapsadas.
Os antinúcleos ficam na porção Z e N negativos, e o novo antinúcleo descoberto agora (mostrado em magenta na ilustração) estende a anti-tabela periódica para a região da antimatéria estranha.
Antimatéria sólida
O próximo anti-elemento dessa nascente anti-tabela periódica, o antilítio, poderia, em teoria, formar antimatéria sólida a temperatura ambiente - mas isso será algo muito mais difícil de fazer.A equipe STAR calcula que o antilítio irá nascer de colisões com menos de um milionésimo da frequência de formação do anti-hélio-4 agora observado.
Na prática, isso o coloca fora do alcance dos colisores de hoje, incluindo o LHC.(laboratório entre Suíça e França)(teste como surgiu o universo, colisão de partículas).
Esconderijo da antimatéria
O cientista acrescenta que a obtenção do anti-hélio "não nos leva mais perto de responder a grande pergunta de por que é que o universo em geral não está repleto de antimatéria."De fato, as teorias atuais afirmam que matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais nos primeiros instantes do universo, mas, por razões desconhecidas, a matéria prevaleceu.
Um observatório espacial, chamado Espectrômetro Magnético Alfa, que será levado para a Estação Espacial Internacional em Abril pelo ônibus espacial Endeavour, vai tentar amainar esse problema.
Já se sabe que os antiprótons ocorrem naturalmente em pequenas quantidades entre as partículas de alta energia, os chamados raios cósmicos, que atingem a Terra.
O AMS irá procurar por antipartículas mais pesadas. Mas se o anti-hélio é produzido apenas raramente em colisões, como mostrado agora pelo RHIC, então o AMS não deverá detectar anti-hélios.
Se ele encontrar altos níveis de anti-hélio, isto poderia reforçar a teoria de que a antimatéria não foi destruída no início do universo, mas simplesmente separada em uma parte diferente do espaço, onde não entra em contato com a matéria.
STAR Collaboration
(Submetido em 16 de março de 2011 (v1), revista pela última vez 22 de março de 2011 (esta versão, v2) Resumo: colisões de alta energia nuclear criar uma densidade de energia semelhante à do universo microssegundos após o Big Bang, e em ambos os casos, a matéria ea antimatéria são formadas com abundância comparáveis. No entanto, a expansão relativamente curta em colisões nucleares permite antimatéria dissociar rapidamente de assunto, e evitar a aniquilação. Assim, um acelerador de alta energia de núcleos pesados é um meio eficiente de produzir e estudar a antimatéria. A antimatéria núcleo de hélio-4 ($ ^ 4 \ bar {Ele} $), também conhecido como o anti-{\ alpha} ($ \ bar {\ alpha} $), consiste de dois antiprótons e dois antineutrons (baryon número B =- 4). Não foi observado anteriormente, embora a partícula {\ alpha} foi identificado há um século por Rutherford e está presente na radiação cósmica ao nível de 10%. Antimatéria núcleos com B <-1 foram observados apenas como produtos raros de interações em aceleradores de partículas, onde a taxa de produção antinúcleo em colisões de alta energia, diminui em cerca de 1000 com cada antinucleon adicionais. Nós apresentamos a observação da antimatéria núcleo de hélio-4, o mais pesado antinúcleo observados. No total 18 4 $ ^ \ bar {Ele} $ contagens foram detectados no experimento STAR no RHIC em 10 ^ 9 $ $ registradas colisões Au + Au no centro da massa-energia de 200 GeV e 62 GeV por par nucleon-nucleon . O rendimento é compatível com as expectativas dos modelos de nucleossíntese termodinâmica e coalescentes, que tem implicações para além da física nuclear.
A observação da antimatéria núcleo de hélio-4
Autores: Colaboração STAR
Resumo: colisões de alta energia nuclear criar uma densidade de energia semelhante à do universo microssegundos após o Big Bang, e em ambos os casos, a matéria ea antimatéria são formadas com abundância comparáveis. No entanto, a expansão relativamente curta em colisões nucleares permite antimatéria dissociar rapidamente de assunto, e evitar a aniquilação. Assim, um acelerador de alta energia de núcleos pesados é um meio eficiente de produzir e estudar a antimatéria. A antimatéria núcleo de hélio-4 ($ ^ 4 \ bar {Ele} $), também conhecido como o anti-{\ alpha} ($ \ bar {\ alpha} $), consiste de dois antiprótons e dois antineutrons (baryon número B =- 4). Não foi observado anteriormente, embora a partícula {\ alpha} foi identificado há um século por Rutherford e está presente na radiação cósmica ao nível de 10%. Antimatéria núcleos com B <-1 foram observados apenas como produtos raros de interações em aceleradores de partículas, onde a taxa de produção antinúcleo em colisões de alta energia, diminui em cerca de 1000 com cada antinucleon adicionais. Nós apresentamos a observação da antimatéria núcleo de hélio-4, o mais pesado antinúcleo observados. No total 18 4 $ ^ \ bar {Ele} $ contagens foram detectados no experimento STAR no RHIC em 10 ^ 9 $ $ registradas colisões Au + Au no centro da massa-energia de 200 GeV e 62 GeV por par nucleon-nucleon . O rendimento é compatível com as expectativas dos modelos de nucleossíntese termodinâmica e coalescentes, que tem implicações para além da física nuclear
Endeavour levará detector de antimatéria ao espaço
O ônibus espacial Endeavour na plataforma de lançamento, em preparação para o seu último voo.[Imagem: NASA]
Despedida
O ônibus espacial Endeavour acaba de ser colocado em sua plataforma de lançamento, em preparação para o seu último voo, programado para o dia 19 de Abril.No compartimento de carga da Endeavour estão várias peças sobressalentes para a Estação Espacial Internacional, incluindo duas antenas de comunicação na banda S, um tanque de gás de alta pressão, peças de reposição para o robô Dextre e placas de proteção contra micrometeoritos.
Mas a "carga" mais importante é o longamente aguardado Espectrômetro Magnético Alfa, ou AMS (Alpha Magnetic Spectrometer).
Espectrômetro Magnético Alfa
O AMS é um detector de raios cósmicos de US$1,5 bilhão, que só não é uma nave independente porque suas pesquisas precisam dos supercomputadores da Estação Espacial - seria inviável construir uma sonda espacial independente com tamanho poder de processamento.
O AMS é um detector de raios cósmicos de US$1,5 bilhão, que só não é uma nave independente porque suas pesquisas precisam dos supercomputadores da Estação Espacial. [Imagem: MIT]
Além de detectar galáxias distantes formadas inteiramente por antimatéria, o AMS testará a teoria da Matéria Escura, uma substância misteriosa e invisível que compreende 83% de toda a matéria no Universo.
E ele também irá procurar por strangelets, uma forma teórica de matéria que seria ultramaciça por conter os chamados quarks estranhos.
Um melhor entendimento das strangelets irá ajudar os cientistas a estudar microquasares, minúsculos buracos negros primordiais, conforme eles evaporam, o que, por mais estranho que pareça, poderia comprovar que eles de fato existem.
Não é à toa que o AMS é chamado de "LHC do espaço": há muitas descobertas que se espera que este novo laboratório espacial faça - mas há muitas mais que poderão ocorrer, mas que simplesmente não são previstas.
Veja tudo a respeito do AMS na reportagem Vai começar a busca por Galáxias de Antimatéria.
Físicos criam garrafa para guardar antimatéria
As garrafas de antimatéria são formadas por múltiplos compartimentos, chamados células, cujas paredes são formadas não por matéria, mas por campos magnéticos e elétricos.[Imagem: Clifford Surko]
Antimatéria na prática
A antimatéria ficou, durante muito tempo, restrita ao mundo da teoria e da ficção científica.No campo da ciência, os teóricos continuam desbravando novos caminhos, e já propõem que matéria e antimatéria podem ser criadas do "nada".
Nos últimos anos, contudo, o desenvolvimento de tecnologias experimentais está permitindo manipular diretamente essa "contraparte negativa" da matéria em laboratório.
O ano passado, por exemplo, marcou a descoberta da partícula de antimatéria mais estranha já vista, a demonstração de que pode ser possível construir um laser de raios gama pela aniquilação de matéria e antimatéria e, finalmente, a antimatéria foi capturada pela primeira vez.
Tal sequência de feitos fez com que as pesquisas sobre antimatéria fossem eleitas as mais importantes de 2010.
Produção e armazenamento de antimatéria
Embora os físicos já produzam antimatéria em laboratório de forma rotineira, usando radioisótopos e aceleradores de partículas, resfriar essas antipartículas e armazená-las por qualquer período de tempo é outra história.Tão logo a antimatéria entra em contato com a matéria ordinária ela é aniquilada, desaparecendo - juntamente com a matéria com a qual ela se chocou - em um clarão de radiação gama.
Agora, Clifford Surko e seus colegas da Universidade da Califórnia, nos Estados Unidos, relataram seus últimos avanços na construção de uma "garrafa de antimatéria", o maior recipiente de antimatéria já construído.
Durante a reunião da Sociedade Americana para o Avanço da Ciência, Surko apresentou as novas técnicas capazes de criar estados especiais de antimatéria na forma de grandes nuvens de antipartículas, comprimir essas nuvens e gerar disparos de feixes de antimatéria - ideais para usos em experimentos de laboratório.
Garrafas de antimatéria
Nos últimos anos, os cientistas desenvolveram novas técnicas para armazenar bilhões de pósitrons - o equivalente de antimatéria do elétron - por várias horas e resfriá-los a baixas temperaturas, a fim de retardar seus movimentos para que eles possam ser estudados - criando moléculas de antimatéria, por exemplo.Surko relatou que agora já é possível retardar os pósitrons gerados por fontes radioativas, levando-os a condições de baixa energia.
Isto permite que eles sejam guardados por dias em "garrafas de antimatéria" especialmente projetadas, cujas paredes são formadas não por matéria, mas por campos magnéticos e elétricos.
Eles também desenvolveram técnicas para resfriar a antimatéria a temperaturas tão baixas quanto as do hélio líquido e para comprimi-la em altas densidades.
Clifford Surko (centro) e seus colegas estão desenvolvendo o maior depósito de antimatéria já construído, que conterá um trilhão ou mais de antipartículas. [Imagem: Kim McDonald/UCSD]
Feixes de antimatéria
"Pode-se, em seguida, empurrar a antimatéria para fora da garrafa em um fluxo fino, um feixe, de forma parecida com apertar um tubo de pasta de dente," disse Surko, acrescentando que há uma grande variedade de usos para esses feixes de pósitrons.Atualmente, os pósitrons, ou anti-elétrons, são usados em exames de tomografia conhecidos como PET (Positron Emission Tomography: tomografia por emissão de pósitrons).
Na técnica da garrafa de antimatéria, os feixes de pósitrons serão usados de forma diferente.
"Estes raios oferecem novas formas de estudar como as antipartículas interagem ou reagem com a matéria comum," disse Surko. "Eles são muito úteis, por exemplo, na compreensão das propriedades superficiais dos materiais."
Depósito de antimatéria
Surko e seus colegas estão agora construindo o maior depósito de antimatéria do mundo, que irá armazenar pósitron de baixa energia - a armadilha será capaz de armazenar mais de um trilhão de partículas de antimatéria."Estamos trabalhando agora para acumular trilhões de pósitrons ou mais, em armadilhas formadas por múltiplas células, uma matriz de garrafas magnéticas semelhantes a um hotel com muitos quartos, com cada quarto contendo dezenas de bilhões de antipartículas," disse ele.
"Um entusiasmante objetivo de longo prazo do nosso trabalho é a criação de armadilhas portáteis de antimatéria," acrescentou Surko. "Isso aumentaria consideravelmente a capacidade de usar e explorar as antipartículas no nosso mundo de matéria, em situações onde é inconveniente usar os radioisótopos ou as fontes de pósitrons baseadas em aceleradores."
Químicos disfarçam hélio de hidrogênio para testar teoria quântica
Por ser muito mais pesado, o múon fica 200 vezes mais perto do núcleo de hélio do que o elétron que ele substituiu, efetivamente anulando a carga positiva de um dos prótons presentes no núcleo do átomo. [Imagem: Adaptado de Nature]
Átomo híbrido
O "átomo híbrido" se faz passar por hidrogênio e se comporta quimicamente como hidrogênio, mas tem quatro vezes a massa do hidrogênio normal, autêntico.Isso vai permitir que os cientistas verifiquem experimentalmente como a massa atômica afeta as reações químicas entre os elementos - algo que a teoria diz que pode ser calculado com as equações da mecânica quântica.
Um átomo de hélio consiste de um núcleo, contendo dois prótons positivamente carregados e dois nêutrons, rodeado por dois elétrons, com carga negativa.
Um átomo de hidrogênio tem apenas um próton e um elétron.
Donald Fleming e seus colegas da Universidade de British Columbia, no Canadá, conseguiram substituir um dos elétrons do átomo de hélio com um múon, uma partícula que é muito mais pesada do que um elétron.
Hidrogênio superpesado
Por ser muito mais pesado, o múon fica 200 vezes mais perto do núcleo de hélio do que o elétron que ele substituiu, efetivamente anulando a carga positiva de um dos prótons presentes no núcleo do átomo.O elétron restante, desta forma, se comporta como se estivesse orbitando um núcleo com apenas um próton, assim como o elétron de um átomo de hidrogênio.
Mas a diferença é substancial: esse núcleo é 4,1 vezes mais pesado do que o normal.
Fleming e seus colegas usaram este "hidrogênio superpesado" para testar os efeitos da massa sobre as taxas com que ocorrem as reações químicas.
Um átomo de hidrogênio individual pode formar uma nova molécula de hidrogênio roubando um dos dois átomos de uma molécula de hidrogênio que já exista.
Mas, para que isso aconteça, deve haver energia suficiente para quebrar a ligação que mantém coesa a molécula já existente, certo?
Não exatamente. Ou, pelo menos, nem sempre.
Tunelamento quântico
Segundo a mecânica quântica, nem sempre é necessário passar por cima dessa barreira de energia: em vez disso, as partículas podem simplesmente "tunelar" através dela.É aí que o "falso hidrogênio" se torna interessante: a mecânica quântica também diz que, quanto mais pesadas forem as partículas, mais difícil será para tunelar através delas - assim, a reação de troca de pares entre o átomo de hidrogênio solteiro e o par molecular deveria ocorre com muito menos frequência.
E o que poderia ser melhor para testar a mecânica quântica do que a reação de troca do hidrogênio - esta é, a rigor, a reação química mais simples que existe.
Para fazer isso, contudo, os cientistas precisavam de um terceiro hidrogênio, um hidrogênio ultraleve.
Eles conseguiram um substituindo um próton em um átomo de hidrogênio por um antimúon, o equivalente de antimatéria do múon - o átomo resultante chama-se muônio.
Ponto para a mecânica quântica
Os resultados mostraram que a incidência de reações com o hélio disfarçado foi a mais baixa, seguida do hidrogênio normal e, por último, do hidrogênio leve.As taxas de reação bateram perfeitamente com as previsões teóricas feitas a partir dos cálculos da mecânica quântica.
O mais interessante é que isso era absolutamente inesperado...
Ocorre que a mecânica quântica não tem a pretensão de descrever as reações com tal precisão. Em um mundo de incertezas bizarras, os cálculos quânticos usam uma simplificação, chamada aproximação de Born-Oppenheimer, que supõe que os elétrons adaptam suas trajetórias instantaneamente em resposta a qualquer movimento do núcleo.
Isso é geralmente verdadeiro para os elétrons, que são quase 2.000 vezes mais leves do que os prótons. Mas não necessariamente tal comportamento seria esperado para os múons.
Ou seja, a teoria parece ter-se saído bem melhor do que os próprios cientistas esperavam.
Assim, a forma como qualquer sistema físico se altera ao longo do tempo pode, em teoria, ser prevista a partir dos estados quânticos de suas partículas individuais.
A maioria das reações químicas envolve partículas demais para que seja prático ficar fazendo esses cálculos - mas os cientistas agora sabem que, se houver poder de processamento suficiente e dificuldade de realizar a reação na prática, os cálculos vão dar resultados precisos.
Então, foi "só" fazer os experimentos e comparar os resultados.
Em um verdadeiro feito de alquimia dos tempos modernos, cientistas forçaram átomos de hidrogênio a aceitar um átomo de hélio como se fosse um deles e até mesmo a reagir com ele.
Projetos e Consultoria
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"Princípios da arquitetura saudável e biológica em projetos"
Welton Santos
espec. arquiteto e biólogo da construção
São Paulo - SP - Brasil
