Descubra o que é Antimatéria e Como Ela Poderia Ser Utilizada

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Na física moderna e na química quântica, a antimatéria é definida como um material composto pela antipartícula nas partículas correspondentes à matéria comum. É a extensão do conceito de antipartícula da matéria, por meio do qual a antimatéria seria composta de antipartículas da mesma maneira que matéria normal está composta por partículas subatômicas.

Em teoria, uma partícula e sua antipartícula têm a mesma massa, mas a carga elétrica oposta, entre outras diferenças nos números quânticos. Por exemplo, um próton tem carga positiva enquanto um antipróton tem carga negativa. Antielétrons (pósitrons, elétrons com carga elétrica positiva); antiprótons (prótons com carga negativa) e antinêutrons (com carga nula como os nêutrons); poderiam dar forma aos antiátomos da mesma maneira que elétrons, prótons e nêutrons formam os átomos normais da matéria.

As partículas de antimatéria se ligam uma à outra para formar antimatéria, assim como as partículas comuns se ligam para formar a matéria normal. Por exemplo, um pósitron e um antipróton podem formar um átomo de anti-hidrogênio. Os princípios físicos indicam que os núcleos atômicos de matéria negativa complexos são possíveis; bem como antiátomos correspondentes aos elementos químicos conhecidos.

Além disso, a mistura da matéria e da antimatéria levaria ao aniquilamento de ambos. Da mesma maneira que a mistura das antipartículas e das partículas criando assim fótons de grande energia (raios gama) e outros pares de partículas e antipartículas. As partículas que resultam do aniquilamento matéria antimatéria são dotadas de energia igual à diferença entre a massa de repouso dos produtos do aniquilamento e a massa de repouso do par original da matéria-antimatéria, que é sempre grande. Neste artigo vou falar sobre antimatéria, portanto, continue lendo para saber mais sobre:

História do Conceito de Matéria Negativa

A Produção de Matéria Negativa

A Produção Pode Ser Natural

Ou Produção Artificial

Preservação e Custos

De que Forma Pode Ser Usada?

História do Conceito de Matéria Negativa

Partículas de Matéria e Antimatéria
By Anynobody [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons
A ideia de matéria negativa aparece em teorias da matéria que já foram abandonadas. Usando a teoria da gravidade do vórtex já popular, a possibilidade de uma questão com gravidade negativa foi discutida por William Hicks na década de 1880. Entre 1880 e 1890, Karl Pearson propôs a existência de “esguichos” e afunda o fluxo de éter. Os esguichos representavam a matéria normal e os sumidouros representavam matéria negativa. A teoria de Pearson exigia uma quarta dimensão para que o éter flua de dentro e para dentro.

O termo antimatéria foi usado pela primeira vez por Arthur Schuster em duas cartas bastante caprichosas à natureza em 1898, nas quais cunhou o termo. Ele levantou a hipótese de antiatomas, e sistemas solares inteiro de antimatéria, discutindo a possibilidade de matéria e antimatéria se aniquilarem. As ideias de Schuster não eram uma proposta teórica séria, mas meramente especulação e como as ideias anteriores, diferiam do conceito moderno de antimatéria na medida em que possuía gravidade negativa.

A Teoria Moderna de Antimatéria

Em 1928, o físico teórico britânico Paul Dirac elaborou uma equação que leva seu nome. Esta equação tornou possível antever a existência dos pósitrons e a existência da antimatéria.

Uma tabela periódica completa de antimatéria foi prevista por Charles Janet em 1929.

A interpretação de Feynman Stueckelberg afirma que a antimatéria e as antipartículas são partículas regulares que viajam para trás no tempo.

Em 1995, foram produzidos antiátomos de anti-hidrogênio, assim como núcleos de anti-deutério, criados a partir de um antipróton e um antinêutron. Não houve sucesso na obtenção de antimatéria maior.

A antimatéria cria se no universo como resultado da colisão entre partículas de alta energia, como ocorre no centro das galáxias. Entretanto, ainda não foi detectado nenhum tipo de matéria negativa como resíduo do Big Bang, coisa que ocorre com a matéria normal. A desigual distribuição entre a matéria e a antimatéria no universo tem sido durante muito tempo um mistério. A solução mais provável reside em certa assimetria nas propriedades dos mésons B e suas antipartículas os antimésons B.

Há uma especulação considerável na ciência e na ficção científica a respeito de por que o universo observado parece ser constituído inteiramente de matéria. Especula se a respeito de outros lugares possivelmente constituídos apenas de antimatéria. Atualmente a assimetria aparente entre matéria e antimatéria é um dos maiores problemas sem solução da física. Os possíveis processos pelo que ocorreu são explorados mais detalhadamente na bariogênese.

A Produção de Matéria Negativa

As colisões entre matéria e antimatéria convertem toda a massa possível das partículas em energia. Esta quantidade é muito maior que a energia química ou mesmo a energia nuclear que se pode obter atualmente através de reações químicas fissão ou mesmo fusão nuclear.

A escassez de antimatéria significa que não existe uma disponibilidade imediata para ser usada como combustível. Gerar somente um antipróton é imensamente difícil e requer aceleradores de partículas; assim como imensas quantidades de energia, devido à ineficiência do processo.

Os métodos conhecidos para produzir antimatéria também produzem uma quantidade igual de matéria normal; de forma que o limite teórico do processo é a metade da energia administrada se converter em antimatéria. Inversamente, quando a antimatéria é aniquilada com a matéria ordinária, a energia emitida é o dobro da massa da antimatéria; de forma que o armazenamento de energia na forma de antimatéria poderia apresentar, em teoria, uma eficiência de 100%.

Na atualidade, a produção de antimatéria é muito limitada. Porém tem aumentado em progressão geométrica desde o descobrimento do primeiro antipróton em 1995. A taxa atual de produção de antimatéria é entre 1 e 10 nanogramas por ano; esperando se um incremento substancial com as novas instalações do CERN e da Fermilab.

A Produção Pode Ser Natural

Os pósitrons são produzidos naturalmente na decomposição β+ de isótopos radioativos de ocorrência natural e nas interações de fótons gama com a matéria. Antineutrinos é outro tipo de antipartícula criada pela radioatividade natural (decaimento β). Muitos tipos diferentes de antipartículas também são produzidos por raios cósmicos. Em janeiro de 2011, a pesquisa feita pela sociedade astronômica Americana descobriu pósitrons originados acima das nuvens de tempestade; os pósitrons são produzidos em flashes de raios gama criados por elétrons acelerados por campos elétricos fortes nas nuvens.

As antipartículas também são produzidas em qualquer ambiente com uma temperatura suficientemente alta. Durante o período da bariogênese, quando o universo era extremamente quente e denso, a matéria e a antimatéria eram continuamente produzidas e aniquiladas. A presença de matéria remanescente e a ausência de antimatéria detectável restante também chamada assimetria de bárion, é atribuída a CP-violação; Uma violação da simetria CP relacionando matéria e antimatéria. O mecanismo exato dessa violação durante a bariogênese permanece um mistério.

Observações recentes indicam que buracos negros e estrelas de nêutrons produzem vastas quantidades de plasmas de elétrons pósitrons através dos jatos.

Ou Produção Artificial

Túnel LHC do CERN para Antimatéria
By Maximilien Brice, CERN (CERN Document Server) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
Os pósitrons foram reportados em novembro de 2008, para serem gerados pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore em maior número do que por qualquer processo simétrico anterior. Um laser dirigiu elétrons através dos núcleos de um alvo dourado; o que fez com que os elétrons entrantes emitissem quanta de energia, que decaísse em matéria e antimatéria. Os pósitrons foram detectados a uma taxa maior e em maior densidade do que nunca antes detectado em um laboratório.

A existência do antiproton foi confirmada experimentalmente em 1955, pela universidade da Califórnia; pelos físicos de Berkeley Emilio Segrè e Owen Chamberlain os quais foram premiados com o Nobel de física de 1959. As propriedades do antipróton que foram medidas combinam todas as propriedades correspondentes do próton; com exceção do antipróton com carga elétrica oposta e momento magnético a partir do próton. Em 1956 o antinêutron foi descoberto em colisões de prótons no Bevatron (Lawrence Berkeley National Laboratory) por Bruce Cork e colegas.

Além de anti-baryons, foram criados anti-núcleos constituídos por antiprótons e antinêutrons múltiplos. Estes são tipicamente produzidos em energias muito altas para formar átomos de antimatéria. Em 1965, um grupo de pesquisadores liderados por Antonino Zichichi relatou a produção de núcleos de antidetereo no Syntron de Próton no CERN.

Anti-hélio-3 foram observados pela primeira vez da década de 1970, em experimentos de colisão de prótons e núcleos no Instituto de Física de Alta Energia pelo grupo de Y. Prockoshkin e posteriormente criados em experimentos de colisão núcleo-núcleo. As colisões núcleo-núcleo produzem anti-núcleos através do coalescenso de antiprótons e antinêutrons criados nessas reações.

Núcleos de anti-hélio foram produzidos artificialmente com dificuldade e são os anti-núcleos mais complexos observados até agora.

Produção de Átomos de Anti-hidrogênio

Em 1995, o CERN anunciou que tinha trazido exitosamente nove átomos de anti-hidrogênio quente implementando o conceito de SLAC / Fermilab durante a experiência PS210. O experimento foi realizado usando o Anel Antiproton de Baixa Energia (LEAR) e  liderado por Walter Oelert e Mario Macri.

O Fermilab logo confirmou os achados do CERN ao produzir aproximadamente 100 átomos de anti-hidrogênio em suas instalações. Os átomos de anti-hidrogênio criados durante a experiência e nas subsequentes, não foram adequados para estudar. Para resolver este obstáculo e para obter melhor compreensão do anti-hidrogênio, duas colaborações foram formadas no final da década de 1990, ATHENA e ATRAP.

No final de 2002, o projeto ATHENA anunciou que criaram o primeiro anti-hidrogênio frio do mundo. O projeto ATRAP lançou resultados semelhantes pouco depois.

Em 2005, o ATHENA se dissolveu. Alguns dos antigos membros se juntaram a outros formando a ALPHA colaboration que também se baseia no CERN. O principal objetivo dessas colaborações é a criação de um anti-hidrogênio menos enérgico e mais adequado para estudar.

Em 26 de abril de 2011, a ALPHA anunciou que tinham preso 309 átomos de anti-hidrogênio alguns até por 1.000 segundos, aproximadamente 17 minutos. Isso foi mais longo do que a antimatéria neutra já havia sido presa antes.

O maior fator limitante na produção em grande escala de antimatéria é a disponibilidade de antiprótons. Dados recentes divulgados pelo CERN indicam que quando totalmente operacional, suas instalações são capazes de produzir dez milhões de antiprótons por minuto. Supondo uma conversão de 100% de antiprótons para anti-hidrogênio, levaria 100 bilhões de anos para produzir 1 grama de anti-hidrogênio.

Preservação e Custos

Antimatéria Rocket
By NASA/MSFC [Public domain], via Wikimedia Commons
A antimatéria não pode ser armazenada em um recipiente feito de matéria comum; porque a antimatéria reage com qualquer matéria que toca, aniquilando-se em uma quantidade igual a do recipiente. A antimatéria na forma de partículas carregadas pode ser contida por uma combinação de campos elétricos e magnéticos, em um dispositivo chamado penning trap. Este dispositivo não pode conter antimatéria que consiste em partículas não carregadas, para as quais são utilizadas armadilhas atômicas. Em particular a armadilha pode usar o momento dipolo (elétrico ou magnético) das partículas.

A antimatéria na forma de antiátomos é um dos materiais mais difíceis de produzir. No entanto, as partículas individuais de antimatéria, são produzidas por aceleradores de partículas e em alguns tipos de decaimento radiativo.

Segundo os cientistas a antimatéria é o material mais caro a fazer. Em 2006, Gerald Smith estimulou que US $ 250 milhões poderiam produzir 10 miligramas de pósitrons.

Em 1999, a NASA deu uma cifra de US $ 62,5 trilhões por grama de anti-hidrogênio. Isso ocorre porque a produção é difícil; apenas alguns antiprótons são produzidos em reações em aceleradores de partículas; e porque há maior demanda por outros usos de aceleradores de partículas.

Vários estudos financiados pelo instituto da NASA, para conceitos avançados estão explorando a possibilidade de usar colheres magnéticas, para coletar a antimatéria que ocorre naturalmente no cinturão de Van Allen da Terra e em última instância os cintos gigantes de gás como Júpiter, esperançosamente a um custo menor por grama.

De que Forma Pode Ser Usada?

Na Medicina

As reações matéria antimatéria têm aplicações práticas na área de imagens médicas, como tomografia por emissão de pósitrons. Na desintegração beta positiva, um nuclídeo perde o excesso de carga positiva ao emitir um pósitron. Nuclídeos com excesso de carga positiva são facilmente feitos em um ciclotron e são amplamente gerados para uso médico. Antiprótons também foram mostrados dentro de experimentos de laboratório como tendo o potencial para tratar certos tipos de câncer; em um método semelhante ao usado atualmente para a terapia de íons (prótons).

Como Combustível

A antimatéria isolada e armazenada poderia ser usada como combustível para viagens interplanetárias ou interestelares como parte de uma propulsão de pulso nuclear, catalisada por antimatéria ou outros foguetes de antimatéria como o foguete de Redshift. Uma vez que a densidade de energia da antimatéria é maior que a dos combustíveis convencionais; uma nave espacial alimentada com antimatéria teria uma relação impulso-peso maior do que uma espaçonave convencional.

Armas

A antimatéria tem sido considerada como um mecanismo desencadeador de armas nucleares. Um grande obstáculo é produzir antimatéria em grande quantidade e não há evidencia de que seja possível. A força aérea dos EUA financiou estudos sobre a física da antimatéria na guerra fria e começou a considerar seu uso em armas; não apenas como um gatilho, mas como o próprio explosivo.

Imagens Pixabay e Wikimedia Commons.