R. Michael Barnett do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e Helen Quinn do Stanford Linear Accelerator Center oferecem esta resposta, partes da qual são parafraseadas do seu livro The Charm of Strange Quarks:
Em 1930 Paul Dirac formulou uma teoria quântica para o movimento dos electrões em campos eléctricos e magnéticos, a primeira teoria que incluiu correctamente a teoria da relatividade especial de Einstein neste contexto. Esta teoria levou a uma surpreendente previsão – as equações que descreviam o electrão também descreviam, e de facto exigiam, a existência de outro tipo de partícula com exactamente a mesma massa que o electrão mas com carga eléctrica positiva em vez de negativa. Esta partícula, que se chama positrónico, é a antipartícula do electrão, e foi o primeiro exemplo de antimatéria.
Its descoberta em experiências rapidamente confirmou a notável previsão de antimatéria na teoria de Dirac. Uma fotografia da câmara de nuvens tirada por Carl D. Anderson em 1931 mostrou uma partícula a entrar por baixo e a passar por uma placa de chumbo. A direcção da curvatura do caminho, causada por um campo magnético, indicava que a partícula era uma partícula com carga positiva mas com a mesma massa e outras características que um electrão. As experiências actuais produzem rotineiramente um grande número de positrões.
A previsão do Dirac aplica-se não só ao electrão mas a todos os constituintes fundamentais da matéria (partículas). Cada tipo de partícula deve ter um tipo de antipartícula correspondente. A massa de qualquer antipartícula é idêntica à da partícula. Todas as suas restantes propriedades estão também intimamente relacionadas, mas com os sinais de todas as cargas invertidas. Por exemplo, um próton tem uma carga eléctrica positiva, mas um antiproton tem uma carga eléctrica negativa. A existência de parceiros antimatéria para todas as partículas de matéria é agora um fenómeno bem verificado, com ambos os parceiros para centenas de tais emparelhamentos observados.
Novas descobertas conduzem a uma nova linguagem. Ao cunhar o termo “antimatéria”, os físicos de facto redefiniram o significado da palavra “matéria”. Até essa altura, “matéria” significava qualquer coisa com substância; mesmo hoje os livros escolares dão esta definição: “a matéria ocupa espaço e tem massa”. Ao acrescentar o conceito de antimatéria como diferente da matéria, os físicos estreitaram a definição de matéria para aplicar apenas a certos tipos de partículas, incluindo, contudo, todas as que se encontram na experiência quotidiana.
Um par de partículas e antipartículas correspondentes pode ser produzido sempre que haja energia suficiente disponível para fornecer a massa-energia necessária. Da mesma forma, sempre que uma partícula encontra a sua correspondente antipartícula, as duas podem aniquilar uma à outra, ou seja, ambas desaparecem, deixando a sua energia transformada noutra forma.
Não há diferença intrínseca entre partículas e antipartículas; elas aparecem essencialmente na mesma base em todas as teorias das partículas. Isto significa que as leis da física para antipartículas são quase idênticas às das partículas; qualquer diferença é um efeito minúsculo. Mas existe certamente uma diferença dramática nos números destes objectos que encontramos no mundo à nossa volta; todo o mundo é feito de matéria. Qualquer antimatéria que produzimos no laboratório desaparece rapidamente porque se encontra com partículas de matéria correspondentes e aniquila.
Teorias modernas da física das partículas e da evolução do universo sugerem, ou mesmo exigem, que a antimatéria e a matéria eram igualmente comuns no estagesso mais antigo, porque é que a antimatéria é tão incomum hoje em dia? O desequilíbrio observado entre matéria e antimatéria é um puzzle ainda por explicar. Sem ele, o universo de hoje seria certamente um lugar muito menos interessante, porque não haveria essencialmente qualquer matéria por perto; as aniquilações já teriam convertido tudo em radiação electromagnética. Portanto, é evidente que este desequilíbrio é uma propriedade chave do mundo que conhecemos. As tentativas de o explicar são hoje uma área activa de investigação.
Para responder a esta pergunta, precisamos de compreender melhor que pequena parte das leis da física são diferentes para a matéria e antimatéria; sem tal diferença, não haveria maneira de ocorrer um desequilíbrio. Esta distinção é objecto de estudo numa série de experiências em todo o mundo que se concentram nas diferenças nas decadências das partículas chamadas B-mesons e seus parceiros antipartículas. Estas experiências serão feitas tanto em instalações de colisão electrão-positrões chamadas fábricas B como em colididores de hadrões de alta energia, porque cada tipo de instalação oferece diferentes capacidades para contribuir para o estudo deste detalhe das leis da física – um detalhe que é responsável por uma propriedade tão importante do universo como o facto de haver qualquer coisa lá!
Maria Spiropulu é candidata a doutoramento em física em Harvard. A sua resposta é a seguinte:
Vamos começar por definir a matéria. As pessoas têm perguntado “o que é matéria?” há bastante tempo. Demócrito, o antigo filósofo e matemático grego, visionou estrutura nos blocos de construção de tudo e chamou à base desta estrutura um átomo; escreveu: “nada existe excepto átomos e espaço vazio: tudo o resto é opinião”. A nível atómico, o mundo pode ser descrito em termos dos elementos, incluindo hidrogénio, oxigénio, carbono e afins.
No entanto, ao que parece, os átomos não são os constituintes fundamentais da matéria. Quando nos aproximamos da matéria, ao sondarmos a distâncias menores, o mundo subatómico desdobra-se. Quanto mais perto olhamos, mais estranho se comporta este mundo, o mundo quântico. Não podemos fazer uma ligação directa com ele: em pequena escala, os objectos não se comportam como varas ou bolas ou ondas ou nuvens ou qualquer coisa que alguma vez experimentámos directamente. Mas a mecânica quântica deste mundo permite-nos descrever como os átomos formam moléculas.
Também nos permite retratar o “movimento” de certas partículas dentro dos átomos. De facto, os átomos são feitos de electrões que se movimentam em torno dos prótons fixos e dos neutrões nos seus núcleos, que são feitos de quarks. Todas estas partículas interagem entre si por meio de partículas “mensageiras de força”, tais como fótons, gluões, W’s e Z’s. Com base nos atributos destas partículas, atribuímos-lhes números de identificação, ou números quânticos. E por meio de simetrias e leis de conservação envolvendo os números quânticos das partículas, podemos descrever as suas interacções. Exemplos de tais números são a carga e o impulso angular intrínseco, ou spin.
Se a é qualquer partícula e esta partícula não tem outros atributos além do momento linear e angular (que incluem energia e spin), então a é a sua própria anti-partícula – um dos constituintes da antimatéria. Por exemplo, o fóton é a sua própria anti-partícula. Se uma partícula tem outros atributos (tais como uma carga eléctrica Q), então a antipartícula tem os atributos opostos (ou uma carga de -Q). O próton e o neutron têm tais atributos. No caso do protão, a sua carga positiva distingue-o do anti-protão carregado negativamente. O nêutron – embora electricamente neutro – tem um momento magnético oposto ao do anti-neutron. Protões e neutrões têm outro número quântico chamado número de bariões, que também tem o sinal oposto nas anti-partículas correspondentes.
A operação de alteração de partículas com antipartículas chama-se Conjugação de carga (C). Partículas e antipartículas têm exactamente a mesma massa e igual, mas cargas opostas e momentos magnéticos; se forem instáveis, têm a mesma duração de vida. Este período é chamado de invariância de Conjugação de Carga-Para-Tempo (CPT), que estabelece o facto de que se trocar partículas por antipartículas (C), olhar num espelho tridimensional (P) e inverter o tempo (T), não se consegue distinguir a diferença entre elas. Os testes mais rigorosos de CPT até à data são medições da relação dos momentos magnéticos do electrão e positron para duas partes num trilião (R. Van Dyck, Jr. e P. B. Schwinberg, Universidade de Washington,1987) e medições de carga por massa do protão e antiprotão-fundado a 0.999,999,999,91 a 90 partes por trilhão (G. Gabrielse, Harvard, 1998).
Antimatéria surgiu como solução para o facto de a equação que descreve uma partícula livre em movimento (a relação relativista entre energia, impulso e massa) ter não só soluções energéticas positivas, mas também negativas! Se isto fosse verdade, nada impediria uma partícula de cair para estados infinitos de energia negativa, emitindo uma quantidade infinita de energia no processo – algo que não acontece. Em 1928, Paul Dirac postulou a existência de electrões com carga positiva. O resultado foi uma equação descrevendo tanto a matéria como a antimatéria em termos de campos quânticos. Este trabalho foi um verdadeiro triunfo histórico, porque foi experimentalmente confirmado e inaugurou uma nova forma de pensar sobre partículas e campos.
Em 1932, Carl Anderson descobriu o positron enquanto media os raios cósmicos numa experiência de câmara de Wilson. Em 1955, no Berkeley Bevatron, Emilio Segre, Owen Chamberlain, Clyde Wiegand e Thomas Ypsilantis descobriram o antiprotão. E em 1995 no CERN, os cientistas sintetizaram pela primeira vez átomos de anti-hidrogénio.
Quando uma partícula e o seu anti-partícula colidem, aniquilam-se em energia, que é transportada por partículas “mensageiras de força” que podem posteriormente decompor-se noutras partículas. Por exemplo, quando um próton e um anti-protão aniquilam em altas energias, pode ser criado um par de quark top-anti-top!
Surge um intrigante puzzle quando consideramos que as leis da física tratam a matéria e a antimatéria de forma quase simétrica. Porque não temos então encontros com anti-pessoas feitas de anti-átomo? Porque é que as estrelas, o pó e tudo o resto que observamos é feito de matéria? Se o cosmos começou com quantidades iguais de matéria e antimatéria, onde está a antimatéria?
Experimentalmente, a ausência de radiação de aniquilação do aglomerado Virgo mostra que pouca antimatéria pode ser encontrada dentro de ~20 Megaparsecs (Mpc), o tamanho típico dos aglomerados galácticos. Mesmo assim, existe um rico programa de procura de antimatéria na radiação cósmica. Entre outros, os resultados formam o Telescópio de Antimatéria de Alta Energia, uma experiência de raios cósmicos de balão, bem como os de 100 horas de dados do Espectrómetro Magnético Alfa a bordo do Vaivém Espacial da NASA, suportam o domínio da matéria no nosso Universo. Os resultados do Observatório de Raio Gama em órbita da NASA, no entanto, estão a revelar o que poderiam ser nuvens e fontes de antimatéria no Centro Galáctico.
Afirmamos que existe uma simetria aproximada entre a matéria e a antimatéria. Pensa-se que a pequena assimetria é pelo menos parcialmente responsável pelo facto de a matéria sobreviver à antimatéria no nosso universo. Recentemente, tanto a experiência NA48 no CERN como a experiência KTeV no Fermilab mediram directamente esta assimetria com precisão suficiente para a estabelecer. E várias experiências, incluindo a experiência BaBar no Centro Acelerador Linear de Stanford e Belle na KEK no Japão, irão confrontar a mesma questão em diferentes sistemas de partículas.
Antimatéria em energias mais baixas é utilizada em Tomografia por Emissão de Positrões (ver esta imagem PET do cérebro). Mas a antimatéria tem capturado o interesse público principalmente como combustível para a fictícia nave estelar Enterprise on Star Trek. De facto, a NASA está a prestar atenção à antimatéria como possível combustível para a propulsão interestelar. Na Penn State University, o grupo de Propulsão Espacial de Antimatéria está a enfrentar o desafio de utilizar a aniquilação da antimatéria como fonte de energia para a propulsão. Vejo-o em Marte?
Resposta originalmente publicada a 18 de Outubro de 1999