Por que existimos? Esta é sem dúvida a questão mais profunda que existe e que pode parecer completamente fora do escopo da física de partículas. Mas nosso novo experimento no Grande Colisor de Hádrons do CERN nos levou um passo mais perto de descobri-lo.

Para entender por que, vamos voltar no tempo cerca de 13,8 bilhões de anos até o Big Bang. Esse evento produziu quantidades iguais da matéria de que você é feito e algo chamado antimatéria. Acredita-se que cada partícula tem um companheiro de antimatéria que é virtualmente idêntico a si mesmo, mas com a carga oposta. Quando uma partícula e sua antipartícula se encontram, eles se aniquilam - desaparecendo em uma explosão de luz.

Por que o universo que vemos hoje é feito inteiramente de matéria é um dos maiores mistérios da física moderna. Se alguma vez houvesse uma quantidade igual de antimatéria, tudo no universo teria sido aniquilado. Nossa pesquisa revelou uma nova fonte dessa assimetria entre matéria e antimatéria.

A antimatéria foi postulada pela primeira vez por Arthur Schuster em 1896, dada uma base teórica por Paul Dirac em 1928, e descoberto na forma de anti-elétrons, apelidado de pósitrons, por Carl Anderson em 1932. Os pósitrons ocorrem em processos radioativos naturais, como na decomposição do potássio-40. Isso significa que a banana média (que contém potássio) emite um pósitron a cada 75 minutos. Estes então se aniquilam com elétrons de matéria para produzir luz. Aplicações médicas como scanners PET produzem antimatéria no mesmo processo.

Os blocos de construção fundamentais da matéria que constituem os átomos são partículas elementares chamadas quarks e léptons. Existem seis tipos de quarks:up, baixa, estranho, charme, inferior e superior. De forma similar, existem seis léptons:o elétron, muon, tau e os três neutrinos. Existem também cópias de antimatéria dessas doze partículas que diferem apenas em sua carga.

As partículas de antimatéria deveriam, em princípio, ser imagens espelhadas perfeitas de seus companheiros normais. Mas os experimentos mostram que nem sempre é esse o caso. Tome, por exemplo, partículas conhecidas como mésons, que são feitos de um quark e um anti-quark. Os mésons neutros têm uma característica fascinante:eles podem se transformar espontaneamente em seus antimésons e vice-versa. Nesse processo, o quark se transforma em um anti-quark ou o anti-quark se transforma em um quark. Mas experimentos mostraram que isso pode acontecer mais em uma direção do que na direção oposta - criando mais matéria do que antimatéria ao longo do tempo.

Terceira vez é um encanto

Entre as partículas contendo quarks, apenas aqueles que incluem quarks estranhos e bottom exibem tais assimetrias - e essas foram descobertas extremamente importantes. A primeira observação de assimetria envolvendo partículas estranhas em 1964 permitiu aos teóricos prever a existência de seis quarks - em uma época em que apenas três eram conhecidos. A descoberta da assimetria nas partículas de fundo em 2001 foi a confirmação final do mecanismo que levou à imagem dos seis quarks. Ambas as descobertas levaram ao Prêmio Nobel.

Tanto o quark estranho quanto o quark bottom carregam uma carga elétrica negativa. O único quark com carga positiva que em teoria deveria ser capaz de formar partículas que podem exibir assimetria matéria-antimatéria é o charme. A teoria sugere que, se isso acontecer, então, o efeito deve ser mínimo e difícil de detectar.

Mas o experimento LHCb agora conseguiu observar essa assimetria em partículas chamadas D-meson - que são compostas de quarks charme - pela primeira vez. Isso é possível devido à quantidade sem precedentes de partículas de charme produzidas diretamente nas colisões do LHC, no qual fui pioneiro há uma década. O resultado indica que a chance de ser uma flutuação estatística é de cerca de 50 em um bilhão.

Se essa assimetria não vier do mesmo mecanismo que causa as assimetrias de quark estranho e de fundo, isso abre espaço para novas fontes de assimetria matéria-antimatéria que podem aumentar a assimetria total no universo primitivo. E isso é importante porque os poucos casos conhecidos de assimetria não podem explicar por que o universo contém tanta matéria. A descoberta do encanto por si só não será suficiente para preencher essa lacuna, mas é uma peça essencial do quebra-cabeça para a compreensão das interações das partículas fundamentais.

Próximos passos

A descoberta será seguida por um número crescente de trabalhos teóricos, que ajudam a interpretar o resultado. Mas mais importante, ele irá delinear testes adicionais para aprofundar a compreensão após nossa descoberta - com uma série de testes já em andamento.

Na próxima década, o experimento LHCb atualizado aumentará a sensibilidade para esses tipos de medições. Isso será complementado pelo experimento Belle II baseado no Japão, que está apenas começando a operar. Essas são perspectivas estimulantes para a pesquisa da assimetria matéria-antimatéria.

A antimatéria também está no centro de uma série de outros experimentos. Anti-átomos inteiros estão sendo produzidos no Antiproton Decelerator do CERN, que alimenta uma série de experimentos conduzindo medições de alta precisão. O experimento AMS-2 a bordo da Estação Espacial Internacional está à procura de antimatéria de origem cósmica. E uma série de experimentos atuais e futuros abordarão a questão da existência de assimetria antimatéria-matéria entre os neutrinos.

Embora ainda não possamos resolver completamente o mistério da assimetria matéria-antimatéria do universo, nossa última descoberta abriu a porta para uma era de medições de precisão que têm o potencial de revelar fenômenos ainda desconhecidos. Há todos os motivos para estar otimista de que a física um dia será capaz de explicar por que estamos aqui.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.