O que é antimatéria?
Objetos do Universo - galáxias, estrelas, quasares, planetas, supernovas, animais e pessoas
Com base nos dados disponíveis até o momento, nãoexistem antigaláxias, antiestrelas ou outros grandes objetos de antimatéria. E isso é muito estranho: de acordo com a teoria do Big Bang, no momento do nascimento de nosso Universo, apareceu a mesma quantidade de matéria e antimatéria, e para onde foi esta não está claro. Atualmente, existem duas explicações para esse fenômeno: ou a antimatéria desapareceu imediatamente após a explosão, ou existe em algumas partes distantes do universo, e simplesmente ainda não a descobrimos. Essa assimetria é um dos problemas não resolvidos mais importantes da física moderna.
Antimatéria - matéria composta de antipartículas -"Reflexos de espelho" de uma série de partículas elementares que têm o mesmo spin e massa, mas diferem umas das outras nos sinais de todas as outras características de interação: carga elétrica e colorida, números quânticos bárions e leptônicos. Algumas partículas, por exemplo um fóton, não possuem antipartículas ou, o que dá no mesmo, são antipartículas em relação a si mesmas.
Acredita-se hoje que as antipartículas reagem aas forças fundamentais que determinam a estrutura da matéria (interação forte, formando núcleos, e eletromagnética, formando átomos e moléculas), são exatamente as mesmas, portanto a estrutura da antimatéria deve ser a mesma da matéria "normal".
O que significa o prefixo “anti”?
Normalmente usamos este prefixo paradesignar o fenômeno oposto. Quanto à antimatéria - inclui análogos de partículas elementares que possuem carga oposta, momento magnético e algumas outras características. Claro, todas as propriedades de uma partícula não podem ser revertidas. Por exemplo, a massa e o tempo de vida devem permanecer sempre positivos, focando neles, as partículas podem ser atribuídas a uma categoria (por exemplo, prótons ou nêutrons).
Se compararmos um próton e um antipróton, então algunssuas características são as mesmas: a massa de ambos é 938,2719 (98) megaeletronvolt, spin ½. Mas a carga elétrica do próton é 1, e o antipróton tem menos 1, o número bárion (que determina o número de partículas de interação forte consistindo em três quarks) é 1 e menos 1, respectivamente.
Algumas partículas, como o bóson de Higgs e o fóton, não possuem antianálogos e são chamadas de verdadeiros neutros.
A maioria das antipartículas junto com partículasaparecem em um processo chamado “nascimento de casal”. Para formar tal par é necessária alta energia, ou seja, enorme velocidade. Na natureza, as antipartículas surgem quando os raios cósmicos colidem com a atmosfera terrestre, no interior de estrelas massivas, perto de pulsares e núcleos galácticos ativos. Os cientistas também usam aceleradores para isso.
Onde a antimatéria é "extraída" e armazenada?
A antimatéria é extraída no Grande Hádroncolisor, coletando nuvens de antiprótons após um feixe de prótons colidir com um alvo de metal e desacelerando cuidadosamente as partículas voadoras para que possam ser usadas em experimentos subsequentes.
Autor: Maximilien Brice, CERN — Servidor de documentos CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Partículas de antimatéria carregadas como pósitronse os antiprótons podem ser armazenados nas chamadas armadilhas Penning. Eles são como pequenos aceleradores de partículas. Dentro delas, as partículas se movem em espiral enquanto os campos magnéticos e elétricos evitam que colidam com as paredes da armadilha.
No entanto, as armadilhas de Penning não funcionam parapartículas neutras como anti-hidrogênio. Como não têm carga, essas partículas não podem ser confinadas a campos elétricos. Eles estão presos nas armadilhas de Ioffe, que funcionam criando uma área do espaço onde o campo magnético se torna maior em todas as direções. Partículas de antimatéria ficam presas na área com o campo magnético mais fraco.
O campo magnético da Terra pode funcionar como armadilhas para a antimatéria. Os antiprótons foram encontrados em certas zonas ao redor da Terra - os cinturões de radiação de Van Allen.
Por que a antimatéria é tão difícil de conseguir?
Também ficou claro que estudar este misteriosoa substância é muito mais difícil de registar. Antipartículas em estado estável ainda não foram encontradas na natureza. O problema é que a matéria e a antimatéria ao “contato” aniquilam-se (destroem-se mutuamente). É bem possível obter antimatéria em laboratórios, embora seja bastante difícil contê-la. Até agora, os cientistas só conseguiram fazer isso em questão de minutos.
O problema de armazenamento de antimatéria é uma verdadeira dor de cabeçador para os físicos, porque os antiprótons e pósitrons se aniquilam instantaneamente quando se encontram com qualquer partícula de matéria comum. Para mantê-los, os cientistas tiveram que inventar dispositivos astutos que poderiam prevenir uma catástrofe. As antipartículas carregadas são armazenadas na chamada armadilha Penning, que se assemelha a um acelerador em miniatura. Seu poderoso campo magnético e elétrico evita que pósitrons e antiprótons colidam com as paredes do dispositivo. No entanto, tal dispositivo não funciona com objetos neutros como o átomo de anti-hidrogênio. Para este caso, a armadilha Ioffe foi desenvolvida. A retenção de anti-átomos ocorre devido ao campo magnético.
Do que a antimatéria é capaz?
Apenas um punhado de antimatéria pode produziruma grande quantidade de energia. Isso o torna um combustível popular para veículos futurísticos de ficção científica. Em geral, um motor de foguete de antimatéria é hipoteticamente possível; a principal limitação é o acúmulo de antimatéria suficiente para usá-la.
Aliás, a energia de 1 miligrama de antimatéria é suficiente para voar até Marte.
Atualmente não há tecnologias disponíveis paraprodução em massa ou coleta de antimatéria na medida necessária para esta aplicação. No entanto, um pequeno número de cientistas fez pesquisas sobre simulação de movimento e armazenamento. Entre eles estão Ronan Keen e Wei-Ming Zhang, que trabalharam na Western Reserve Academy e na Kent State University, respectivamente, bem como Mark Weber e seus colegas na Washington State University. Algum dia, se conseguirmos encontrar uma maneira de criar ou coletar grandes quantidades de antimatéria, a pesquisa deles poderá ajudar a tornar a viagem interestelar usando antimatéria uma realidade.
Por que ainda não estamos usando essa fonte de energia?
A aniquilação da antimatéria e da matéria podeliberar uma grande quantidade de energia. Um grama de antimatéria pode causar uma explosão do tamanho de uma bomba nuclear. No entanto, os humanos produziram muito pouca antimatéria.
A ineficiência da produção de antimatéria é enorme.Levando em consideração o custo de obtenção da antimatéria, você pode receber de volta apenas um décimo de um bilhão (10-10) da energia investida. Se os cientistas pudessem coletar toda a antimatéria que já produzimos no CERN e aniquilá-la com matéria, haveria apenas energia suficiente para acender uma lâmpada por alguns minutos.
Todos os antiprótons criados em um acelerador de partículasO Tevatron no Fermilab tem apenas 15 nanogramas. Os produzidos no CERN têm cerca de 1 nanograma. Até o momento, o DESY na Alemanha produziu aproximadamente 2 nanogramas de pósitrons.
Se toda a antimatéria já produzida por humanos fosse destruída de uma vez, a energia produzida não seria suficiente para ferver uma xícara de chá.
O problema é eficiência e custoprodução e armazenamento de antimatéria. A produção de 1 grama de antimatéria exigirá aproximadamente 25 milhões de bilhões de quilowatts-hora de energia e mais de um milhão de bilhões de dólares.
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Spin é o momento angular adequado das partículas elementares, que tem uma natureza quântica e não está associado ao movimento da partícula como um todo.