QUÃO FÁCIL É FORMAR ANTIMATÉRIA?
A antimatéria cai como a matéria comum? Experimentos no desacelerador de antiprótons do CERN, o AD/ELENA, testam as simetrias fundamentais da física com o anti-hidrogênio: um antipróton ligado a um pósitron, a imagem espelhada do átomo de hidrogênio. Entre eles, o GBAR — “Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest” — foi construído para medir com que aceleração o anti-hidrogênio cai sob a gravidade da Terra.
O caminho do GBAR é incomum. Outros experimentos montam o anti-hidrogênio misturando antiprótons e pósitrons em uma armadilha. O GBAR, em vez disso, planeja duas etapas de troca de carga com o positrônio (Ps), um átomo exótico feito de um elétron e um pósitron:
- p̄ + Ps → H̄ + e⁻: um antipróton captura o pósitron e se torna anti-hidrogênio;
- H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: o anti-hidrogênio captura um segundo pósitron e se torna um íon positivo.
Esse íon pode ser resfriado com íons de berílio; depois, um laser arranca o pósitron extra, deixando átomos de anti-hidrogênio a cerca de 10 microkelvins — frios o suficiente para um experimento de queda livre.
Conhecer as chances
A colaboração já havia mostrado em 2023 que a etapa 1 funciona com positrônio em seu estado fundamental. Mas não conseguia dizer quão provável é a reação — uma grandeza que os físicos chamam de seção de choque, a área efetiva do alvo que um antipróton precisa acertar. Sem ela, ninguém consegue prever quantos átomos o experimento completo vai produzir.
A reação equivalente com matéria comum — um próton capturando um pósitron para se tornar hidrogênio — tinha sido medida apenas uma vez, por Merrison e colegas em 1997, entre 11 e 16 quiloelétron-volts.
Dois feixes em uma cavidade minúscula
Desde 2023, a equipe multiplicou por dez sua taxa de produção. De um lado, pósitrons de um pequeno acelerador são acumulados em armadilhas: cerca de 300 milhões entre dois disparos de antiprótons, a cada dois minutos. Aproximadamente 100 milhões chegam a uma cavidade de cerca de 2 milímetros de largura e 2 centímetros de comprimento, revestida de sílica porosa que transforma parte deles em positrônio. Cada disparo deixa uma nuvem semiconfinada de cerca de 6 milhões de átomos de positrônio.
Do outro lado, o ELENA fornece pacotes de 12 milhões de antiprótons. O GBAR os desacelera, aprisiona, resfria com elétrons e depois dispara pacotes de 5–6 milhões através da cavidade a 4 ou 6 quiloelétron-volts, sincronizados para atravessar a nuvem de positrônio. Todo anti-hidrogênio produzido é eletricamente neutro: segue em linha reta até um detector 1,6 metro adiante, enquanto os antiprótons restantes são desviados.
Centenas de antiátomos, um número
Comparando milhares de disparos com e sem pósitrons, o detector contou 379 ± 35 átomos de anti-hidrogênio a 6 keV e 69 ± 19 a 4 keV — cerca de 392 e 71 após a correção pela eficiência do detector. Combinado com contagens cuidadosas dos antiprótons e átomos de positrônio envolvidos, e de quão bem os dois pulsos se sobrepuseram no espaço e no tempo, isso fornece a seção de choque:
- (14,1 ± 1,3) × 10⁻¹⁶ cm² a 6,2 keV;
- (8,7 ± 2,4) × 10⁻¹⁶ cm² a 4,15 keV (incertezas estatísticas; as sistemáticas são listadas à parte no artigo).
É a primeira medição de uma seção de choque de troca de carga feita com feixes de antiprótons, com incertezas menores que as da medição de 1997 com matéria comum.
A teoria passa no teste
Os primeiros cálculos baseados na chamada aproximação de Born discordavam entre si — o que não surpreende, observam os autores, já que a energia de colisão no referencial do centro de massa é de apenas cerca de 6,5 elétron-volts a 6 keV. Dois métodos modernos resolvem o problema quântico completo de três corpos: o método Convergent Close Coupling e as equações de Faddeev–Merkuriev. Eles concordam entre si e, segundo a equipe, mostram “excelente concordância” com os novos dados.
Próximo passo: o íon, depois a queda
Isso ainda não é um teste da gravidade. O próximo passo do GBAR é medir a segunda reação, que forma o íon de anti-hidrogênio, começando pelo seu análogo com matéria comum, usando íons negativos de hidrogênio do ELENA. Juntas, as duas taxas vão determinar quantos átomos ultrafrios o experimento poderá soltar — e, portanto, com que precisão poderá dizer se a antimatéria cai como a matéria.