Uma única partícula de antimáteria pode ajudar a investigar algumas das perguntas mais difíceis da física. Pesquisadores da Universidade Northwestern, nos Estados Unidos, conseguiram capturar um pósitron, resfriá-lo e controlar seus estados quânticos em laboratório. A equipe criou o que chama de ciclotron quântico de um pósitron: um sistema que permite observar mudanças minúsculas de energia e prepara o terreno para comparar propriedades dessa antipartícula com as do elétron.
Uma antipartícula conhecida, mas difícil de estudar
O pósitron é a contraparte de antimáteria do elétron. Ambos possuem a mesma massa, mas cargas elétricas opostas: o elétron é negativo, enquanto o pósitron é positivo.
Essa relação faz parte de uma história que começou antes da observação experimental. Em 1928, o físico Paul Dirac formulou uma equação que combinava mecânica quântica e relatividade especial. Dela surgiu a previsão de uma contraparte do elétron, identificada por Carl Anderson em 1932.
Como explica o CERN em sua apresentação sobre a antimáteria, o encontro entre uma partícula e sua antipartícula pode provocar aniquilação, produzindo outras partículas e radiação.
Isso torna o armazenamento um desafio. Um pósitron não pode simplesmente ficar dentro de um recipiente comum: é necessário mantê-lo afastado da matéria com a qual poderia interagir.
Como manter um pósitron preso durante meses
A equipe liderada por Gerald Gabrielse começou com pósitrons produzidos pelo decaimento radioativo do sódio-22. Essas partículas surgem com energia elevada, exigindo uma sequência de desaceleração, captura e resfriamento.
Os pesquisadores utilizaram uma armadilha que combina campos elétricos e magnéticos para manter a partícula suspensa. O ambiente de vácuo extremamente elevado reduz a presença de átomos residuais que poderiam provocar sua perda.
O equipamento foi resfriado a aproximadamente 300 milikelvins, apenas 0,3 grau acima do zero absoluto. Nessas condições, a equipe conseguiu preparar o movimento da partícula em seu estado quântico de menor energia.
Segundo a comunicação da universidade, o pósitron permaneceu confinado durante meses. Esse tempo de armazenamento permite realizar sequências prolongadas de observações e ajustes experimentais.
O avanço está nos degraus de energia
O resultado vai além de manter a antipartícula presa. No artigo científico disponível no arXiv, os pesquisadores descrevem a resolução dos níveis mais baixos de energia associados ao movimento do pósitron e ao seu spin, uma propriedade quântica intrínseca.
Em uma descrição simplificada, a energia desse sistema só pode assumir determinados valores. Para passar de um nível a outro, a partícula precisa receber ou liberar uma quantidade específica de energia.
A equipe aplicou sinais de micro-ondas ajustados para provocar essas transições e identificou os saltos resultantes. O experimento também exigiu técnicas de detecção capazes de acompanhar o estado quântico sem destruí-lo.
O campo magnético utilizado chegou a 5,6 teslas. A combinação de confinamento, resfriamento e leitura dos estados estabelece a plataforma necessária para futuras medições magnéticas de alta precisão.
Essa é a realização específica apresentada no trabalho: um ciclotron quântico com um único pósitron e níveis individuais distinguíveis experimentalmente.
A comparação com o elétron é o próximo objetivo
Uma das propriedades que os cientistas pretendem medir é o momento magnético, que descreve como a partícula responde a um campo magnético.
As medições com elétrons já alcançaram uma precisão extraordinária. Uma revisão científica da equipe mostra, porém, que o resultado mais preciso disponível para o pósitron ainda utiliza uma abordagem baseada no movimento clássico, medida pela última vez em 1987.
A incerteza desse resultado é aproximadamente 30 vezes maior que a da medição moderna do elétron. Portanto, melhorar o lado da antimáteria é essencial para tornar a comparação mais rigorosa.
A revisão aponta que uma medição quântica do pósitron, com precisão comparável à já obtida para o elétron, poderia aumentar em cerca de 30 vezes a sensibilidade desse teste. Melhorias adicionais nos dois sistemas poderiam ampliar ainda mais esse alcance.
Esses ganhos são objetivos de pesquisa. O novo experimento demonstra uma ferramenta para buscá-los, sem anunciar que a comparação definitiva já foi realizada.
Por que procurar uma diferença tão pequena?
A comparação investiga a simetria CPT, um princípio fundamental das teorias que sustentam o Modelo Padrão da física de partículas. Para elétrons e pósitrons, ela estabelece relações precisas entre suas propriedades.
Se uma diferença incompatível com essas previsões aparecesse e resistisse às verificações experimentais, os pesquisadores teriam uma indicação de física além da descrição atual.
Existe também um contexto cosmológico. O Universo observável é dominado por matéria, embora os processos conhecidos de produção e aniquilação relacionem matéria e antimáteria. Explicar essa assimetria permanece um dos grandes desafios da área.
Medições cada vez mais rigorosas ajudam a restringir possíveis explicações. Elas não garantem que uma diferença será encontrada nem que um único experimento resolverá a questão.
Um passo dentro de uma investigação internacional
O trabalho com pósitrons integra uma pesquisa mais ampla sobre o controle da antimáteria. No CERN, por exemplo, a colaboração BASE já demonstrou espectroscopia quântica coerente com o spin de um antipróton, alcançando um tempo de coerência de 50 segundos.
Esse resultado envolve outra antipartícula e outra técnica. A distinção evita tratar o novo estudo como o primeiro controle quântico de qualquer sistema de antimáteria.
Em comum, os experimentos procuram tornar essas partículas instrumentos de medição cada vez mais precisos. O pósitron confinado em Northwestern acrescenta uma nova possibilidade: estudar a contraparte do elétron com ferramentas quânticas capazes de revelar detalhes antes inacessíveis.
