É um dos maiores quebra-cabeças da física. Todas as partículas que constituem a matéria ao nosso redor, tais elétrons e prótons, têm versões de antimatéria que são quase idênticas, mas com propriedades espelhadas, como a carga elétrica oposta. Quando uma antimatéria e uma partícula de matéria se encontram, eles aniquilam em um lampejo de energia.

Se a antimatéria e a matéria são verdadeiramente idênticas, mas cópias espelhadas uma da outra, eles deveriam ter sido produzidos em quantidades iguais no Big Bang. O problema é que tudo isso seria aniquilado. Mas hoje, quase não resta mais antimatéria no universo - ela aparece apenas em alguns decaimentos radioativos e em uma pequena fração dos raios cósmicos. Então o que aconteceu com ele? Usando o experimento LHCb no CERN para estudar a diferença entre matéria e antimatéria, descobrimos uma nova maneira de essa diferença aparecer.

A existência da antimatéria foi prevista pela equação do físico Paul Dirac que descreve o movimento dos elétrons em 1928. No início, não estava claro se isso era apenas uma peculiaridade matemática ou a descrição de uma partícula real. Mas em 1932 Carl Anderson descobriu um parceiro de antimatéria para o elétron - o pósitron - enquanto estudava os raios cósmicos que chovem do espaço na Terra. Nas décadas seguintes, os físicos descobriram que todas as partículas de matéria têm parceiros de antimatéria.

Os cientistas acreditam que no estado muito quente e denso logo após o Big Bang, deve ter havido processos que deram preferência à matéria em vez da antimatéria. Isso criou um pequeno excedente de matéria, e como o universo esfriou, toda a antimatéria foi destruída, ou aniquilado, por uma quantidade igual de matéria, deixando um pequeno excedente de matéria. E é esse excedente que compõe tudo o que vemos no universo hoje.

Exatamente quais processos causaram o excedente não está claro, e os físicos estão à procura há décadas.

Assimetria conhecida

O comportamento dos quarks, que são os blocos de construção fundamentais da matéria junto com os léptons, pode lançar luz sobre a diferença entre matéria e antimatéria. Quarks vêm em muitos tipos diferentes, ou "sabores", conhecido como up, baixa, charme, estranho, inferior e superior mais seis anti-quarks correspondentes.

Os quarks up e down são o que constituem os prótons e nêutrons nos núcleos da matéria comum, e os outros quarks podem ser produzidos por processos de alta energia - por exemplo, colidindo partículas em aceleradores como o Large Hadron Collider do CERN.

As partículas que consistem em um quark e um anti-quark são chamadas de mésons, e há quatro mésons neutros (B ⁰ , B ⁰ , D ⁰ e K ⁰ ) que exibem um comportamento fascinante. Eles podem se transformar espontaneamente em seu parceiro de antipartícula e, em seguida, voltar, um fenômeno que foi observado pela primeira vez na década de 1960. Por serem instáveis, eles irão "decair" - desmoronar - em outras partículas mais estáveis ​​em algum ponto durante sua oscilação. Esta decadência ocorre de forma ligeiramente diferente para os mésons em comparação com os anti-mésons, o que combinado com a oscilação significa que a taxa de decaimento varia ao longo do tempo.

As regras para as oscilações e decaimentos são fornecidas por um arcabouço teórico denominado mecanismo Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Prevê que há uma diferença no comportamento da matéria e da antimatéria, mas um que é muito pequeno para gerar o excedente de matéria no universo primitivo necessário para explicar a abundância que vemos hoje.

Isso indica que há algo que não entendemos e que estudar esse tópico pode desafiar algumas de nossas teorias mais fundamentais na física.

Nova física?

Nosso resultado recente do experimento LHCb é um estudo de B neutro ⁰ mesons, olhando para seus decaimentos em pares de mésons K carregados. O B ⁰ mésons foram criados colidindo prótons com outros prótons no Grande Colisor de Hádrons, onde eles oscilavam em seu antiméson e voltavam três trilhões de vezes por segundo. As colisões também criaram anti-B ₀ mesons que oscilam da mesma maneira, dando-nos amostras de mésons e anti-mésons que poderiam ser comparados.

Contamos o número de decaimentos das duas amostras e comparamos os dois números, para ver como essa diferença variava à medida que a oscilação progredia. Houve uma ligeira diferença - com mais decaimentos acontecendo para um dos B ⁰ mesões. E pela primeira vez para B ⁰ mesons, observamos que a diferença na decadência, ou assimetria, variou de acordo com a oscilação entre o B ⁰ mesão e o anti-mesão.

Além de ser um marco no estudo das diferenças matéria-antimatéria, também pudemos medir o tamanho das assimetrias. Isso pode ser traduzido em medições de vários parâmetros da teoria subjacente. Comparar os resultados com outras medições fornece uma verificação de consistência, para ver se a teoria aceita atualmente é uma descrição correta da natureza. Uma vez que a pequena preferência da matéria sobre a antimatéria que observamos na escala microscópica não pode explicar a esmagadora abundância de matéria que observamos no universo, é provável que nosso entendimento atual seja uma aproximação de uma teoria mais fundamental.

Investigar este mecanismo que sabemos pode gerar assimetrias matéria-antimatéria, sondando de diferentes ângulos, pode nos dizer onde está o problema. Estudar o mundo na menor escala é nossa melhor chance de sermos capazes de entender o que vemos na maior escala.

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