CERN
28/02/2020
A colaboração ALPHA do CERN apresentou as primeiras medições de certos efeitos quânticos da estrutura de energia do anti-hidrogênio que é a antimatéria correspondente ao hidrogênio. Sabe-se que esses efeitos quânticos existem na matéria, e estudá-los pode revelar diferenças ainda não observadas entre o comportamento da matéria e da antimatéria. Os resultados, descritos em um artigo publicado na revista Nature, mostram que essas primeiras medições são consistentes com previsões teóricas dos efeitos no hidrogênio “normal” e abrem caminho para medições mais precisas dessas e de outras quantidades fundamentais.
“Encontrar alguma diferença entre essas duas formas de matéria abalaria os fundamentos do Modelo Padrão da física de partículas, e essas novas medições examinam aspectos da interação antimatéria – como o deslocamento de Lamb – que há muito tempo temos desejado abordar”, diz Jeffrey Hangst, porta-voz do experimento ALPHA.
“O próximo passo é resfriar grandes amostras de anti-hidrogênio usando técnicas de resfriamento a laser de última geração. Essas técnicas transformarão os estudos da antimatéria e permitirão comparações sem precedentes de alta precisão entre matéria e antimatéria.”
A colaboração ALPHA cria átomos de anti-hidrogênio, ligando antiprótons fornecidos pelo Antiproton Decelerator (Desacelerador de Antipróton) do CERN com antielétrons, mais comumente chamados de “pósitrons”. Em seguida, os átomos são confinados em uma armadilha magnética em um vácuo ultra alto que os impede de entrar em contato com a matéria e se aniquilarem. Os átomos aprisionados são então iluminados pela luz de um laser para sua resposta espectral ser medida. Essa técnica ajuda a medir efeitos quânticos conhecidos como a chamada estrutura fina e o deslocamento de Lamb, que correspondem a divisões minúsculas de certos níveis de energia do átomo, que foram medidos nesse estudo no átomo anti-hidrogênio pela primeira vez. A colaboração usou anteriormente essa abordagem para medir outros efeitos quânticos no anti-hidrogênio, sendo o mais recente uma medição da transição Lyman-alfa.
A estrutura fina foi medida no hidrogênio atômico há mais de um século e lançou as bases para a introdução de uma constante fundamental da natureza que descreve a força da interação eletromagnética entre partículas elementares carregadas. O deslocamento de Lamb foi descoberto no mesmo sistema há cerca de 70 anos e foi um elemento-chave para o desenvolvimento da eletrodinâmica quântica que é a teoria que descreve como a matéria e a luz interagem.
A medição do deslocamento de Lamb, com a qual Willis Lamb ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1955, foi anunciada em 1947 na famosa conferência Shelter Island – a primeira oportunidade importante para os líderes da comunidade americana de Física se reunirem após a guerra.
Nota Técnica
Tanto a estrutura fina quanto o deslocamento de Lamb são pequenas divisões de certos níveis de energia (ou linhas espectrais) de um átomo, que podem ser estudadas com espectroscopia. A divisão da estrutura fina do segundo nível de energia do hidrogênio é uma separação entre os chamados níveis 2P3/2 e 2P1/2 na ausência de um campo magnético. A separação é causada pela interação entre a velocidade do elétron do átomo e sua rotação intrínseca (quântica). O deslocamento clássico “Lamb” é a separação entre os níveis 2S1/2 e 2P1/2, também na ausência de um campo magnético. É o resultado do efeito sobre o elétron das flutuações quânticas associadas aos fótons virtuais que aparecem e desaparecem no vácuo. Em seu novo estudo, a colaboração ALPHA mediu a separação da estrutura fina e o deslocamento de Lamb induzindo e estudando transições entre o nível mais baixo de energia do anti-hidrogênio e os níveis 2P3/2 e 2P1/2 na presença de um campo magnético de 1 Tesla. Usando o valor da frequência da transição 1S-2S que a colaboração tinha medido anteriormente, considerando que certas interações quânticas eram válidas para o anti-hidrogênio, os pesquisadores deduziram de seus resultados os valores da separação da estrutura fina e do deslocamento de Lamb. Eles descobriram que os valores inferidos são consistentes com as previsões teóricas das separações em hidrogênio “normal”, dentro das incertezas experimentais de 2% para a separação da estrutura fina e de 11% para o deslocamento de Lamb. [1]
[1] Tradução de Mário Everaldo de Souza.
Como citar esta notícia científica: CERN. Primeiras medições de certos efeitos quânticos na antimatéria. Tradução de Mário Everaldo de Souza. Saense. https://saense.com.br/2020/02/primeiras-medicoes-de-certos-efeitos-quanticos-na-antimateria/. Publicado em 28 de fevereiro (2020).
