Encerrando décadas de especulações: antimatéria cai sob ação da gravidade terrestre

A ausência de antimatéria primordial no Universo é um dos maiores mistérios da Física atual, por décadas os cientistas especulam se a antimatéria iria interagir com a matéria gravitacionalmente da mesma maneira que a matéria. Essa equivalência gravitacional é prevista pela teoria de Albert Einstein, e essa teoria tem se mostrado bastante precisa. Havia especulação até de uma possível “antigravidade”, uma repulsão gravitacional que levaria os anti-átomos a “caírem para cima”. Contudo, isto não seria esperado tendo em vista que mesmo a luz (pura energia, sem massa) cai sob efeito da curvatura do espaço-tempo induzida pela gravidade segundo a Relatividade Geral. No entanto, a dificuldade em se construir uma boa teoria gravitacional quântica deixa dúvidas quanto a validade absoluta da Relatividade Geral. Uma medida direta de queda gravitacional precisaria esperar o desenvolvimento de técnicas de aprisionamento de grande quantidade de antihidrogênio frio (baixa energia cinética), com carga elétrica nula. Além disso, seria necessário um alto controle sobre campos magnéticos. Encerrando décadas de especulações, a colaboração ALPHA acaba de publicar um artigo na revista Nature em https://www.nature.com/articles/s41586-023-06527-1 demonstrando que a aceleração da gravidade sobre antimatéria é compatível com a da matéria e excluindo a possibilidade de antigravidade.

A concepção original do experimento, descrita por um membro brasileiro da colaboração em 1997 (referência 19 no artigo: https://link.springer.com/article/10.1023/A:1012673921413), é bastante simples. Os anti-átomos são aprisionados em uma armadilha vertical e as barreiras magnéticas posicionadas acima e abaixo da amostra teriam que ser absolutamente idênticas e seriam lentamente reduzidas. Se os antihidrogênios experimentassem “antigravidade” a maioria deles “cairia para cima”, caso contrário, cairia para baixo. Sempre vai haver uma fração dos átomos que escapa em direção contrária à da aceleração da gravidade pois os átomos começam com energia cinética (de movimento) alta comparada com a diferença da energia potencial gravitacional ao longo da armadilha.

No experimento, pôde-se observar, utilizando um detector de aniquilação cobrindo toda a extensão da armadilha, quantos anti-átomos escapam para cima e quantos para baixo. Ao escapar da armadilha o anti-átomo colide com as paredes e se aniquila permitindo assim sua detecção. Uma precisão maior da medida é obtida compensando o efeito da gravidade pela aplicação de pequenas diferenças de campo magnético acima e abaixo da amostra. Os resultados mostram uma medida da aceleração da gravidade de a = (0.75 ± 0.13 (incerteza estatística + sistemática) ± 0.16 (incerteza de simulação)) g, onde g é a aceleração local da gravidade. Portanto, a aceleração medida é da ordem de 75% de “g” com incertezas da ordem de 20-29% de “g” (dependendo de como se combinam as incertezas avaliadas), ou seja, é compatível com a gravidade normal sentida por átomos, é incompatível com ausência de gravidade, e exclui completamente a possibilidade da “antigravidade”. O princípio de equivalência de Einstein que prevê que todos os corpos caem sob efeito da gravidade com a mesma aceleração independente de sua composição continua válido frente a essas medidas. Mas, será que o resultado será mantido quando o experimento atingir precisões muito melhores do que alcançada nesse experimento inicial? Será que uma “quinta-força” não interage diferentemente com antimatéria e matéria? Eis uma das perguntas que sempre rondam a Física, que possui outros grandes mistérios como a essência da matéria escura e da energia escura. Até lá, o mistério da ausência de antimatéria primordial no Universo persiste sem uma explicação. Enquanto isso, outros experimentos – principalmente no CERN, como o LHCb e o BASE – buscam em diferentes regimes outros possíveis mecanismos que expliquem esse mistério da assimetria entre matéria e antimatéria.

Em breve o Brasil deve virar um país membro do CERN, num convênio que está no Congresso nacional para aprovação e posterior sanção presidencial. Isso vai permitir ao País ter um protagonismo muito maior nesses experimentos na fronteira do conhecimento e que só podem ser realizados no CERN com sua infraestrutura de aceleradores, incluindo o maior do mundo, o LHC, e o único desacelerador de antiprótons do mundo.

O grupo brasileiro no ALPHA, baseado na UFRJ e INMETRO, tem sido apoiado pelo CNPq, RENAFAE e FAPERJ. Atualmente, o grupo está desenvolvendo uma técnica de geração de íons frios negativos de hidrogênio (https://www.nature.com/articles/s42005-023-01228-7) para introduzir hidrogênio na mesma armadilha do antihidrogênio e assim poder realizar uma comparação direta entre o átomo e o anti-átomo. Esta comparação direta entre átomos e anti-átomos vai permitir um salto na precisão destes testes fundamentais na fronteira da Física atual.

Contatos:

Cláudio Lenz Cesar: lenz@if.ufrj.br;

Daniel de Miranda Silveira: daniel.miranda@if.ufrj.br;

Rodrigo Lage Sacramento: rlagesacramento@if.ufrj.br;

Álvaro Nunes de Oliveira: alvaro.nunes@cern.ch.

Foto 1: Representantes da colaboração ALPHA no Desacelerador de Antiprotons no CERN. Atrás da equipe está o equipamento ALPHA-g, uma armadilha magnética na vertical onde se estudou o comportamento dos anti-átomos de hidrogênio, se escapariam para cima ou para baixo dependendo do minúsculo efeito da gravidade terrestre frente aos campos magnéticos de aprisionamento.

Foto 2: Representantes do grupo brasileiro – composto por Levi Oliveira Azevedo, Rodrigo Lage Sacramento, Álvaro Nunes de Oliveira e Cláudio Lenz Cesar, na foto, e Daniel de Miranda Silveira que não estava no CERN no dia desta foto – no experimento ALPHA no Desacelerador de Antiprotons no CERN. Embaixo do símbolo do ALPHA está o equipamento ALPHA-g, uma armadilha magnética na vertical onde se estudou o comportamento dos anti-átomos de hidrogênio, se escapariam para cima ou para baixo dependendo do minúsculo efeito da gravidade terrestre frente aos campos magnéticos de aprisionamento.

Texto escrito por Claudio Lenz

No dia 19 de setembro o Instituto de Física da UFRJ celebrou a colação de grau de 26 alunos dos seus discentes, contemplando os quatro cursos de graduação. A cerimônia festiva contou com 10 alunos e diversos professores convidados. Veja algumas fotos do evento:

O portal acadêmico Research.com classificou 50 professores da UFRJ entre os melhores cientistas do mundo.

Gostaríamos de parabenizar a professora do Instituto de Física Yara Coutinho, que apareceu no ranking entre os cientistas que mais contribuíram na área de física no Brasil.

Veja a notícia no Conexão UFRJ.

Confira o Boletim 16 de 2023.

O aluno de doutorado do PPG-Física, Rodrigo Alves Fontenele, orientado pelos Profs. Raimundo Rocha dos Santos e Natanael Costa, ganhou o prêmio de melhor poster apresentado no evento “Workshop on Quantum Monte Carlo Methods at Work for Describing Novel States of Matter”, ocorrido no ICTP-Triste (Itália) em julho de 2023. O evento contou também com o seminário do Prof. Natanael Costa como palestrante convidado.

Metodologia de Calibração para os Sensores Skipper-Ccds do Experimento Connie
Ana Carolina Oliveira de Sá
Orientação: Irina Nasteva & Carla Brenda Bonifazi

Avaliação das Doses Empregadas em Tratamentos de Tumores Primários e Metastáticos de Olho com Radioterapia
André Luiz Fidelis & Maria Luiza Miranda
Orientação: Simone Coutinho Cardoso

Robótica e Divulgação Científica
Caio Tavares Sant’Anna Uchoa & Felipe Batista de Moraes
Orientação: Elis Helena de C.P. Sinnecker, Miriam Gandelman & Thereza Paiva

Otimização da Seleção em Tempo Real de Pares de Fótons Produzidos no Decaimento de Partículas Tipo Axion no Experimento Lhcb
Felipe Klimroth Gordo
Orientação: Murilo Santana Rangel

Um Estudo dos Mésons Bu Através de Seus Decaimentos
Francisco Nery Abrantes
Orientação: Miriam Gandelman

Observáveis Clássicos Via Amplitudes de Espalhamento
Gabriel Zarpelon
Orientação: Thales Agrícola Azevedo

Determinação da Resolução da Massa Invariante de Pares de Fótons Produzidos no Decaimento de Partículas Tipo Axion no Experimento Lhcb
Isabella Grazioli Alponte & Mirela Beatriz Rebelo Pereira
Orientação: Erica Polycarpo

Otimização dos Parâmetros de Operação do Detector de Pixel Timepix3
Jennifer dos Santos Januário Pereira
Orientação: Irina Nasteva

Tem Menina no Circuito: Multiplicando a Cie?ncia entre Meninas do Ensino Médio de Colégios Públicos
Jossana Almeida de Oliveira, Jessica de Melo Jataranagua Ferreira & Beatriz dos Prazeres Lopes
Orientação: Elis Helena de C.P. Sinnecker, Maria Fernanda Elbert, Miriam Gandelman, Nedir do Espírito Santo, Thereza Paiva

Terceirão do Tem Menina no Circuito
Nathália Junqueira Lobato
Orientação: Thereza Paiva, Elis Helena de C.P. Sinnecker & Miriam Gandelman

Girificação Cortical Durante o Desenvolvimento Humano e a Transição para o Envelhecimento
Nathalia Lobato
Orientação: Bruno César Mota

Tem Menina no Circuito – Ensino Fundamental
Nathalia Santos Vieira da Silva & Beatriz Moura da Silva
Orientação: Elis Helena de C.P. Sinnecker, Thereza Paiva, Nedir do Espírito Santo, Maria Fernanda Elbert & Miriam Gandelman

Uso de Sensores Ldr e Arduino para Detecção de Raios-X
Pedro Gabriel Fernandes Mundim Paiva & Vanessa Martiniano Guimarães
Orientação: Josilene Santos

Vinculando Modelos Cosmológicos com Dados de Quasares
Vanessa do Nascimento Xavier
Orientação: Ribamar Rondon de Resende dos Reis

Interação dispersiva não-retardada entre um átomo e duas esferas condutoras
Laura Stolze
Orientação: Daniela Szilard (IF/UFRJ) e Carlos Farina (IF/UFRJ)

A determinação geométrica da força de Newton a Binet
Laura Stolze
Orientação: Thiago Hartz (IM/UFRJ) e Reinaldo de Melo e Souza (IF/UFF)

Reflexões acerca da reflexão quântica
João Octávio Cony
Orientação: Carlos Farina (IF/UFRJ)

Hermann Weyl e a matemática da mecânica quântica: da teoria de grupos ao problema da quantização
João Octávio Cony
Orientação: Thiago Hartz (IM/UFRJ)

Ânions frios de hidrogênio, H^– (hidrogênio com um elétron extra), são de grande interesse para pesquisa com antihidrogênio (anti-H) desenvolvida na colaboração internacional ALPHA, no CERN, da qual o grupo LASER é fundador. A colaboração ALPHA realizou a medida mais precisa sobre antimatéria, com 12 algarismos significativos, por espectroscopia a laser na transição 1S-2S do anti-H[1,2]. Carregar H na mesma armadilha magnética de anti-H[3], uma das motivações desse trabalho, permitirá à colaboração comparações entre matéria e antimatéria com maior precisão. A medida testa a simetria fundamental da Física chamada CPT (conjugação de carga, paridade e reversão temporal), na busca de descobrir mecanismos que expliquem a ausência de antimatéria
primordial no Universo, por exemplo. Uma amostra de H^– pode ser produzida e aprisionada, num equipamento similar ao da UFRJ reproduzido no CERN, e depois guiada para dentro da armadilha de anti-H do ALPHA. Em seguida, os H^– podem ser tornados neutros pela extração do elétron extra por meio de pulsos de laser, num processo que resulta em baixa energia de recuo ao átomo neutro, gerando uma amostra neutra fria e permitindo assim seu aprisionamento magnético na armadilha do ALPHA.

Outra possível aplicação em física fundamental é a produção de T^– (trício, um isótopo de H com um próton e 2 neutrons em seu núcleo). O T decai radioativamente emitindo um ?^– (elétron) e um antineutrino. Numa proposta de um grupo internacional, Project-8, eles medem a energia individual de cada ?^– emitido dentro de um campo magnético por emissão de radiação cyclotron em microondas [4,5]. Se tivessem uma fonte muito intensa de T frio, quase aprisionado, para medir as máximas energias dos ?^– (final da distribuição de energia), poderiam determinar a massa de repouso do antineutrino. A produção de T^– e T frios a partir desse trabalho com a técnica MISu poderia se constituir nessa fonte intensa de átomos, no entanto, embora a técnica da UFRJ seja escalável, só com os próximos desenvolvimentos do trabalho se saberá por quantas ordens de grandeza o número de ânions aprisionados pode ser aumentado.

O grupo também observou a formação de feixe de elétrons pela aplicação de potencial eletrostático repulsivo na matriz. O resultado abre a possibilidade de produção de feixes de elétrons com spin polarizado a baixas energias, com potencial para estudar processos moleculares ligados à origem da homoquiralidade das moléculas biológicas [6,7]. Tais estudos possibilitariam entender processos que levaram ao surgimento da vida. Além disso, trabalhos recentes [8,9] mostram potencial de uso de elétrons como quantum-bits, elementos de computação quântica; em particular com longos tempos de descoerência em manipulações quânticas para elétrons adsorvidos na superfície de Ne sólido, exatamente o tipo de matriz que o grupo utiliza na técnica de MISu. Dessa forma, há possibilidade de expansão desse trabalho na direção de q-bits eletrônicos.

A demonstração de produção de e^–, H^±, Li^± e moléculas do tipo Li_nH_m^± nesse trabalho, junto a resultados anteriores publicados pelo grupo, é uma prova de princípio que funcionaria também com T^±, D^± e diversas espécies atômicas e moleculares. A técnica, portanto, possibilita aplicações em áreas como físico-química e astrofísica [10].

O grupo agora se dedica a otimizar o processo de produção e aprisionamentos dos íons e elétrons, aumentando o número de partículas aprisionadas e buscando energias típicas bem abaixo de 25 meV (equivalente à temperatura ambiente). Uma nova versão da armadilha, em construção, com acesso óptico e possibilidade de detecção simultânea de cargas positivas e negativas, permitirá estudos por espectroscopia a laser de íons aprisionados e produção de moléculas em baixas temperaturas a partir de cátions e ânions frios.

O projeto foi concebido e apoiado por um edital Temático da FAPERJ. Como ideia nova, sem nenhum outro resultado desse tipo de produção de ânions frios a nível mundial, havia riscos (científicos) na proposta. Naquela ocasião, os referees apoiaram esse risco.

O artigo é assinado pelos pesquisadores: Levi Oliveira de Araújo Azevedo (doutorando), Rodolfo de Jesus Costa (aluno do programa de mestrado aplicado multidisciplinar), Dr. Álvaro Nunes de Oliveira (INMETRO/IF-UFRJ), e Professores Rodrigo Lage Sacramento, Daniel de Miranda Silveira, Wania Wolff e Cláudio Lenz Cesar. Para maiores informações visite a página do LASERIF-UFRJ (https://www.if.ufrj.br/~lenz/Lab/laserHome.html). O grupo busca potenciais colaboradores (incluindo estudantes) para os desafios científicos que a técnica oportuniza.

Referências
[1] Ahmadi, M. et al. [ALPHA collab.], Characterization of the 1S-2S transition in antihydrogen. Nature 557, 71 (2018) (open access)
[2] Baker, C. J. et al. [ALPHA collab.], Laser cooling of antihydrogen atoms. Nature 592, 35
(2021) (open access)
[3] C. L. Cesar, A sensitive detection method for high resolution spectroscopy of trapped
antihydrogen, hydrogen and other trapped species. J. Phys. B 49, 074001 (2016)
[4] Asner, D. M. et al. Single-electron detection and spectroscopy via relativistic cyclotron
radiation. Phys. Rev. Lett. 114, 162501 (2015)
[5] Formaggio, J. A., de Gouvêa, A. L. C. & Robertson, R. G. H. Direct measurements of neutrino mass. Phys. Rep. 914, 1 (2021)
[6] M. Kettner et al., Chirality-Dependent Electron Spin Filtering by Molecular Monolayers of
Helicenes, J. Phys. Chem. Lett. 9, 2025 (2018) (open access)
[7] Stefan Mayer and Joachim Kessler, Experimental Verification of Electron Optic Dichroism, Phys. Rev. Lett. 74, 4803 (1995)
[8] Dapor, M. Polarized electron beams elastically scattered by atoms as a tool for testing
fundamental predictions of quantum mechanics. Sci. Rep. 8, 5370 (2018) (open access)
[9] X. Zhou, G. Koolstra, X. Zhang et al. Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform. Nature 605, 46 (2022) (open access)
[10] A. Dalgarno and R. A. McCRAY, The formation of interstellar molecules from negative ions, Astrophys. J. 181, 95 (1973)