Os cientistas se divertem em explorar mistérios, e quanto maior o mistério, maior o entusiasmo. Há muitas perguntas enormes sem resposta na ciência, mas quando você está indo grande, é difícil bater “Por que há algo, em vez de nada?”
Isso pode parecer uma pergunta filosófica, mas é uma pergunta que é muito amável à investigação científica. Afirmou um pouco mais concretamente: “Porque é que o universo é feito dos tipos de matéria que tornam a vida humana possível para que possamos sequer fazer esta pergunta?” Cientistas conduzindo pesquisas no Japão anunciaram uma medida no mês passado que aborda diretamente a mais fascinante das indagações. Parece que a sua medição discorda das expectativas mais simples da teoria actual e poderia muito bem apontar para uma resposta a esta pergunta intemporal.
A sua medição parece dizer que para um conjunto particular de partículas subatómicas, a matéria e a antimatéria actuam de forma diferente.
Matéria v. Antimatéria
Utilizando o acelerador J-PARC, localizado em Tokai, Japão, cientistas dispararam um feixe de partículas subatômicas fantasmagóricas chamadas neutrinos e suas contrapartidas antimatéria (antineutrinos) através da Terra para a experiência Super Kamiokande, localizada em Kamioka, também no Japão. Esta experiência, chamada T2K (Tokai para Kamiokande), foi concebida para determinar porque é que o nosso universo é feito de matéria. Um comportamento peculiar exibido pelos neutrinos, chamado oscilação de neutrinos, pode lançar alguma luz sobre este problema tão vexatório.
Asking porque o universo é feito de matéria pode soar como uma pergunta peculiar, mas há uma razão muito boa para que os cientistas fiquem surpresos com isso. É porque, além de saberem da existência da matéria, os cientistas também sabem da antimatéria.
Em 1928, o físico britânico Paul Dirac propôs a existência da antimatéria – um irmão antagônico da matéria. Combinando quantidades iguais de matéria e antimatéria, os dois aniquilam-se mutuamente, resultando na libertação de uma enorme quantidade de energia. E, como os princípios físicos geralmente funcionam igualmente bem ao contrário, se você tiver uma quantidade prodigiosa de energia, ela pode se converter em quantidades exatamente iguais de matéria e antimatéria. A antimatéria foi descoberta em 1932 pelo americano Carl Anderson e pesquisadores tiveram quase um século para estudar suas propriedades.
No entanto, essa frase “em quantidades exatamente iguais” é o ponto crucial do enigma. Nos breves momentos imediatamente após o Big Bang, o universo estava cheio de energia. À medida que se expandia e arrefecia, essa energia deveria ter-se convertido em partes iguais de matéria e partículas subatómicas de antimatéria, o que hoje em dia deveria ser observável. E, no entanto, o nosso universo consiste essencialmente de matéria. Como pode isso ser?
Ao contar o número de átomos no Universo e comparando-o com a quantidade de energia que vemos, os cientistas determinaram que “exactamente igual” não é bem assim. De alguma forma, quando o Universo tinha cerca de um décimo de um trilião de segundo de idade, as leis da natureza enviesavam cada vez mais levemente na direção da matéria. Para cada 3.000.000.000.000 de partículas de antimatéria, havia 3.000.000.000.001 partículas de matéria. Os 3 bilhões de partículas de matéria e 3 bilhões de partículas de antimatéria combinados – e aniquilados de volta à energia, deixando o leve excesso de matéria para compor o universo que vemos hoje.
Desde que este enigma foi compreendido há quase um século, os pesquisadores têm estudado a matéria e a antimatéria para ver se eles poderiam encontrar comportamento em partículas subatômicas que explicariam o excesso de matéria. Eles estão confiantes de que matéria e antimatéria são feitas em quantidades iguais, mas também observaram que uma classe de partículas subatômicas chamadas quarks apresentam comportamentos que favorecem ligeiramente a matéria em relação à antimatéria. Essa medida em particular foi sutil, envolvendo uma classe de partículas chamadas mésons K que podem converter da matéria em antimatéria e voltar novamente. Mas há uma ligeira diferença na conversão de matéria em antimatéria, em comparação com o inverso. Este fenómeno foi inesperado e a sua descoberta levou ao Prémio Nobel de 1980, mas a magnitude do efeito não foi suficiente para explicar porque é que a matéria domina no nosso universo.
Feixes fantasmagóricos
Assim, os cientistas voltaram a sua atenção para os neutrinos, para ver se o seu comportamento pode explicar o excesso de matéria. Neutrinos são os fantasmas do mundo subatómico. Interagindo apenas através da força nuclear fraca, eles podem passar através da matéria sem interagir quase de todo. Para dar uma sensação de escala, os neutrinos são mais comumente criados em reações nucleares e o maior reator nuclear ao redor é o Sol. Para se proteger de metade dos neutrinos solares, seria necessário uma massa de chumbo sólido de cerca de 5 anos-luz de profundidade. Neutrinos realmente não interagem muito.
Entre 1998 e 2001, uma série de experiências – uma usando o detector Super Kamiokande, e outra usando o detector SNO em Sudbury, Ontário – provou definitivamente que os neutrinos também exibem outro comportamento surpreendente. Eles mudam sua identidade.
Físicos conhecem três tipos distintos de neutrinos, cada um associado a um irmão subatômico único, chamado de elétrons, muons e taus. Os electrões são a causa da electricidade e as partículas de múon e tau são muito semelhantes aos electrões, mas mais pesados e instáveis.
Os três tipos de neutrinos, chamados neutrino de electrões, neutrino de múon e neutrino de tau, podem “morfar-se” em outros tipos de neutrinos e voltar novamente. Este comportamento é chamado de oscilação de neutrino.
A oscilação do neutrino é um fenómeno quântico único, mas é mais ou menos análogo a começar com uma tigela de gelado de baunilha e, depois de ires procurar uma colher, voltas para descobrir que a tigela é metade de baunilha e metade de chocolate. Os neutrinos mudam a sua identidade de um só tipo, para uma mistura de tipos, para um tipo completamente diferente, e depois voltam ao tipo original.
oscilações Antineutrinos
Neutrinos são partículas de matéria, mas os neutrinos antimatéria, chamados antineutrinos, também existem. E isso leva a uma questão muito importante. Neutrinos oscilam, mas os antineutrinos também oscilam e oscilam exactamente da mesma forma que os neutrinos? A resposta à primeira pergunta é sim, enquanto a resposta à segunda não é conhecida.
Vamos considerar isto um pouco mais completamente, mas de uma forma simplificada: Suponhamos que havia apenas dois tipos de neutrinos – muão e electrão. Suponha ainda que você tinha um feixe de neutrinos do tipo puramente múon. Os neutrinos oscilam a uma velocidade específica e, como se aproximam da velocidade da luz, oscilam em função da distância a partir de onde foram criados. Assim, um feixe de neutrinos puros do tipo múon parecerá uma mistura de tipos de múon e elétrons a alguma distância, depois tipos puros de elétrons a outra distância e depois de volta apenas ao múon. Os neutrinos de antimatéria fazem a mesma coisa.
No entanto, se os neutrinos de matéria e antimatéria oscilarem a taxas ligeiramente diferentes, seria de esperar que, se fosse uma distância fixa do ponto em que um feixe de neutrinos de múon puro ou antineutrinos de múon foi criado, então no caso do neutrino veria uma mistura de múon e neutrinos de electrões, mas no caso do neutrino de antimatéria veria uma mistura diferente de múon e neutrinos de electrões. A situação real é complicada pelo facto de existirem três tipos de neutrinos e a oscilação depende da energia do feixe, mas estas são as grandes ideias.
A observação de diferentes frequências de oscilação por neutrinos e antineutrinos seria um passo importante para compreender o facto de que o universo é feito de matéria. Não é a história toda, porque novos fenômenos adicionais também devem se manter, mas a diferença entre neutrinos de matéria e antimatéria é necessária para explicar porque há mais matéria no Universo.
Na teoria actual que descreve as interacções dos neutrinos, existe uma variável sensível à possibilidade dos neutrinos e dos antineutrinos oscilarem de forma diferente. Se essa variável for zero, os dois tipos de partículas oscilam a taxas idênticas; se essa variável for diferente de zero, os dois tipos de partículas oscilam de forma diferente.
Quando T2K mediu esta variável, eles descobriram que ela era inconsistente com a hipótese de que neutrinos e antineutrinos oscilam de forma idêntica. Um pouco mais tecnicamente, eles determinaram um intervalo de valores possíveis para esta variável. Há uma probabilidade de 95% de que o valor verdadeiro para essa variável esteja dentro desse intervalo e apenas 5% de que a variável verdadeira esteja fora desse intervalo. A hipótese “sem diferença” está fora da faixa de 95%.
Em termos mais simples, a medição atual sugere que os neutrinos e os neutrinos antimatéria oscilam de forma diferente, embora a certeza não suba ao nível para fazer uma afirmação definitiva. Na verdade, os críticos apontam que as medições com este nível de significância estatística devem ser vistas de forma muito, muito céptica. Mas é certamente um resultado inicial enormemente provocador, e a comunidade científica mundial está extremamente interessada em ver estudos melhorados e mais precisos.
A experiência T2K continuará a registar dados adicionais na esperança de fazer uma medição definitiva, mas não é o único jogo na cidade. No Fermilab, localizado fora de Chicago, um experimento similar chamado NOVA está disparando tanto neutrinos quanto neutrinos antimatéria para o norte de Minnesota, na esperança de vencer o T2K ao soco. E, olhando mais para o futuro, o Fermilab está trabalhando duro no que será seu principal experimento, chamado DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), que terá capacidades muito superiores para estudar este importante fenômeno.
Embora o resultado do T2K não seja definitivo e a cautela seja garantida, ele é certamente tentador. Dada a enormidade da questão de por que nosso universo parece não ter nenhuma antimatéria apreciável, a comunidade científica mundial aguardará avidamente mais atualizações.
Originalmente publicado em Live Science.
Don Lincoln é um pesquisador de Física no Fermilab. Ele é o autor de “The Large Hadron Collider”: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), e ele produz uma série de vídeos de educação científica. Siga-o no Facebook. As opiniões expressas neste comentário são dele.
Don Lincoln contribuiu com este artigo para o Live Science’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
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