Se você deixasse cair uma pilha de antimatéria, ela cairia para cima ou para baixo?

A teoria da relatividade geral de Einstein prevê que a antimatéria cairia no campo gravitacional da Terra, e é isso que a maioria dos físicos esperaria que fosse o resultado. Mas apesar de esta ser a nossa melhor descrição da gravidade, sabemos que existem lacunas na nossa compreensão. Na verdade, a teoria de Einstein prevê o seu próprio fracasso em extremos, como as singularidades do espaço-tempo dentro dos buracos negros.

Há também alguma especulação sobre se o oposto pode ser verdade. Não podemos explicar a expansão e a geometria do universo com o que sabemos sobre a gravidade, a menos que haja enormes quantidades de massa que não podemos ver. Explicamos isso através dos conceitos de energia escura e matéria escura que interagem com a gravidade e moldam o universo brilhante. Essas forças são misteriosas e ainda há muita coisa que não descobrimos.

Uma possibilidade intrigante é que a antimatéria possa comportar-se de forma diferente da matéria no que diz respeito à gravidade, e que a matéria e a antimatéria possam até repelir-se. Isso poderia ajudar a explicar a forma e a expansão do universo sem a existência de energia escura.

Mas nada é verdadeiramente conhecido até que seja observado. E é muito difícil observar a antimatéria porque no instante em que ela colide com a matéria normal, ambas são aniquiladas.

A colaboração ALPHA é uma equipe internacional criada para examinar o comportamento e as propriedades da antimatéria. Os resultados do primeiro teste de antimatéria em queda livre foram publicados esta semana na Nature.

O estudo fez parte de um esforço internacional da colaboração ALPHA, que incluiu autores de diversas instituições canadenses:TRIUMF, Universidade da Colúmbia Britânica, Universidade de York, Universidade de Calgary, Universidade Simon Fraser e Instituto de Tecnologia da Colúmbia Britânica.

Para o estudo, eles precisaram produzir anti-hidrogênio para observar, pois este é o menor átomo neutro que pode ser produzido. A gravidade é a mais fraca das quatro forças conhecidas que atuam sobre as massas e, portanto, quaisquer cargas elétricas tornariam impossível observar os efeitos da gravidade.

Como fizeram anteriormente, eles produziram antiprótons em um acelerador de partículas e antielétrons (pósitrons) por meio do decaimento radioativo. Estes são inicialmente mantidos separadamente e as suas cargas tornam-nos relativamente fáceis de capturar num vácuo quase perfeito, mantendo-os afastados da matéria através de campos eléctricos. Quando estiverem prontos, os pesquisadores do ALPHA juntam os dois para criar átomos de anti-hidrogênio de baixa energia.

Uma vez combinado, o anti-hidrogênio resultante tem carga neutra e os campos elétricos não conseguem mais retê-los. Embora a maior parte do anti-hidrogênio atinja as paredes da armadilha e seja destruída, os eletroímãs fortes aproveitam as fracas propriedades magnéticas do anti-hidrogênio para reter o restante. Para este estudo, a equipe construiu uma armadilha vertical com vários metros de altura para conter o anti-hidrogênio.

Dentro da armadilha, a equipe pegou sua pilha de átomos de anti-hidrogênio e os liberou lentamente, diminuindo gradualmente a corrente em seus eletroímãs de forma sincronizada e simétrica, para que o anti-hidrogênio ficasse livre para escapar por cima ou por baixo. As posições dos eventos de aniquilação subsequentes poderiam então ser medidas para ver se eles caíram para cima ou para baixo.

O anti-hidrogênio observado ainda é energético o suficiente para que possamos esperar que algum voe em cada direção. Seria de esperar que mesmo pilhas de hidrogénio normal tivessem uma distribuição sob a gravidade, com cerca de 20% dos átomos a sair do topo e o resto a cair no fundo. Portanto, os resultados foram comparados com simulações para hidrogênio nas mesmas condições.

Mas também sabemos que os campos magnéticos, que a equipa também utilizou como parte do desenho da armadilha anti-hidrogénio, afectam o seu movimento. Para neutralizar os efeitos de qualquer interferência magnética dispersa, eles repetiram o mesmo teste com um impulso magnético de intensidades variadas em qualquer direção.

Sob todas as condições testadas, o anti-hidrogénio comportou-se num padrão semelhante aos resultados simulados para o hidrogénio normal – tendendo a cair sob a influência da gravidade como a matéria normal.

A força observada foi calculada em 75 por cento do que a matéria experimenta, mais ou menos o erro de 29 por cento que poderia vir de fontes estatísticas, sistemáticas ou de simulação.

Embora a correspondência com os valores simulados não tenha sido perfeita, a evidência é consistente com uma força gravitacional atrativa e exclui a possibilidade de uma força repulsiva matéria-antimatéria.

As próximas etapas incluem técnicas como resfriamento a laser para desacelerar ainda mais o anti-hidrogênio e fazer medições ainda mais precisas em estudos futuros. Isto permitirá à equipe medir melhor a taxa exata de aceleração e descobrir se a força da gravidade é a mesma para a antimatéria e para a matéria.

Este é um momento emocionante na física de partículas que nos dá uma visão sobre a natureza do universo.