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Anti-hidrogênio

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O anti-hidrogênio consiste em um antipróton e um pósitron.
Modelo simplificado de um átomo de anti-hidrogênio no estado fundamental

O anti-hidrogênio (
H
) é a contraparte de antimatéria do hidrogênio. Enquanto o átomo de hidrogênio [en] comum é composto de um elétron e um próton, o átomo de anti-hidrogênio é composto de um pósitron e um antipróton. Os cientistas esperam que o estudo do anti-hidrogênio possa esclarecer a questão de por que há mais matéria do que antimatéria no universo observável, conhecido como o problema da assimetria bariônica.[1] O anti-hidrogênio é produzido artificialmente em aceleradores de partículas.

História experimental

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Os aceleradores detectaram o anti-hidrogênio quente pela primeira vez na década de 1990. ATHENA [en] estudou
H
 frio em 2002. Ele foi capturado pela equipe do Aparelho de física a laser de anti-hidrogênio (A.L.Ph.A.)[a] [en] no C.E.R.N.[2][3] em 2010, que então mediu a estrutura e outras propriedades importantes.[4] A.L.Ph.A., A.E.G.i.S. e G.B.A.R. planejam estudar e estudar ainda mais átomos
H
.

Medição da transição 1s – 2s

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Em 2016, o experimento do A.L.Ph.A. [en] mediu a transição atômica de elétrons entre os dois níveis de energia mais baixos do anti-hidrogênio, 1s – 2s. Os resultados, que são idênticos aos do hidrogênio dentro da resolução experimental, apóiam a ideia de simetria matéria-antimatéria e simetria C.P.T..[5]

Na presença de um campo magnético, a transição 1s – 2s divide-se em duas transições hiperfinas com frequências ligeiramente diferentes. A equipe calculou as frequências de transição para o hidrogênio normal sob o campo magnético no volume de confinamento como:

fdd = 2466061103064(2) kHz
fcc = 2466061707104(2) kHz

Uma transição de fóton único entre os estados "s" é proibida pelas regras de seleção [en] quântica, portanto, para elevar os pósitrons do estado fundamental ao nível 2s, o espaço de confinamento foi iluminado por um laser sintonizado para metade das frequências de transição calculadas, estimulando a absorção de dois fótons permitida.

Átomos de anti-hidrogênio excitados para o estado 2s podem então evoluir de várias maneiras:

  • Eles podem emitir dois fótons e retornar diretamente ao estado fundamental como estavam;
  • Eles podem absorver outro fóton, que ioniza o átomo;
  • Eles podem emitir um único fóton e retornar ao estado fundamental por meio do estado 2p – nesse caso, o spin do pósitron pode mudar ou permanecer o mesmo.

Ambos os resultados de ionização e spin-flip fazem com que o átomo escape do confinamento. A equipe calculou que, assumindo que o anti-hidrogênio se comporta como o hidrogênio normal, cerca de metade dos átomos de anti-hidrogênio seriam perdidos durante a exposição à frequência ressonante, em comparação com o caso sem laser. Com a fonte de laser sintonizada em 200 kHz abaixo da metade das frequências de transição, a perda calculada foi essencialmente a mesma do caso sem laser.

A equipe do A.L.Ph.A. fez lotes de anti-hidrogênio, manteve-os por 600 segundos e depois diminuiu o campo de confinamento por 1,5 segundo enquanto contava quantos átomos de anti-hidrogênio foram aniquilados. Eles fizeram isso em três condições experimentais diferentes:

  • Ressonância: expondo os átomos de anti-hidrogênio confinados a uma fonte de laser sintonizada exatamente na metade da frequência de transição por 300 segundos para cada uma das duas transições;
  • Fora da ressonância: expondo os átomos de anti-hidrogênio confinados a uma fonte de laser sintonizada 200 kilohertz abaixo das duas frequências de ressonância por 300 segundos cada;
  • Sem laser: confinando os átomos de anti-hidrogênio sem qualquer iluminação a laser.

Os dois controles, fora da ressonância e sem laser, eram necessários para garantir que a própria iluminação do laser não estivesse causando aniquilações, talvez liberando átomos normais da superfície do recipiente de confinamento que poderiam então se combinar com o anti-hidrogênio.

A equipe realizou 11 execuções dos três casos e não encontrou nenhuma diferença significativa entre as de fora da ressonância e as sem laser, mas uma queda de 58% no número de eventos detectados após as execuções com ressonância. Eles também foram capazes de contar eventos de aniquilação durante as execuções e encontraram um nível mais alto durante as execuções com ressonância, novamente sem diferença significativa entre as execuções fora da ressonância e as sem laser. Os resultados estavam de acordo com as previsões baseadas em hidrogênio normal e podem ser "interpretados como um teste de simetria C.P.T. com uma precisão de 200 ppt".[6]

Características

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O teorema C.P.T. da física de partículas prevê que os átomos de anti-hidrogênio têm muitas das características do hidrogênio regular; ou seja, a mesma massa, momento magnético e frequências de transição de estado atômica (consulte Espectroscopia atômica [en]).[7] Por exemplo, espera-se que os átomos de anti-hidrogênio excitados brilhem da mesma cor que o hidrogênio comum. Átomos de anti-hidrogênio devem ser atraídos por outra matéria ou antimatéria gravitacionalmente com uma força da mesma magnitude que os átomos de hidrogênio comuns experimentam.[2] Isso não seria verdade se a antimatéria tivesse massa gravitacional negativa, o que é considerado altamente improvável, embora ainda não seja empiricamente refutado (veja Interação gravitacional da antimatéria).[8] Estrutura teórica recente para massa negativa e gravidade repulsiva (antigravidade) entre matéria e antimatéria foi desenvolvida, e a teoria é compatível com o teorema C.P.T.[9]

Quando o anti-hidrogênio entra em contato com a matéria comum, seus constituintes se aniquilam rapidamente. O pósitron se aniquila com um elétron para produzir raios gama. O antipróton, por outro lado, é composto de antiquarks que se combinam com quarks em nêutrons ou prótons, resultando em píons de alta energia, que rapidamente decaem em múons, neutrinos, pósitrons e elétrons. Se os átomos de anti-hidrogênio fossem suspensos em um vácuo perfeito, eles deveriam sobreviver indefinidamente.

Como um anti-elemento, espera-se que tenha exatamente as mesmas propriedades que o hidrogênio.[10] Por exemplo, o anti-hidrogênio seria um gás em condições padrão e se combinaria com o anti-oxigênio para formar anti-água,
H
2
O
.

Produção

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O primeiro anti-hidrogênio foi produzido em 1995 por uma equipe liderada por Walter Oelert [en] no C.E.R.N.[11] usando um método proposto pela primeira vez por Charles Munger Jr, Stanley Brodsky [en] e Ivan Schmidt Andrade.[12]

No Anel de antiprótons de baixa energia (L.E.A.R.)[b] [en], antiprótons de um acelerador foram disparados contra aglomerados[c] [en] de xenônio,[13] produzindo pares elétron-pósitron. Antiprótons podem capturar pósitrons com probabilidade de cerca de 10−19, então este método não é adequado para produção substancial, conforme calculado.[14][15][16] O Fermilab mediu uma seção transversal um tanto diferente,[17] de acordo com as previsões da eletrodinâmica quântica.[18] Ambos resultaram em antiátomos altamente energéticos ou quentes, inadequados para estudos detalhados.

Posteriormente, o C.E.R.N. construiu o Desacelerador de antiprótons (A.D.)[d] [en] para apoiar os esforços em direção ao anti-hidrogênio de baixa energia, para testes de simetrias fundamentais. O A.D. fornecerá vários grupos do C.E.R.N.. O C.E.R.N. espera que suas instalações sejam capazes de produzir 10 milhões de antiprótons por minuto.[19]

Anti-hidrogênio de baixa energia

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Experimentos das colaborações A.Trap. e Athen.A. no C.E.R.N. reuniram pósitrons e antiprótons em armadilhas de Penning, resultando em síntese a uma taxa típica de 100 átomos de anti-hidrogênio por segundo. O anti-hidrogênio foi produzido primeiro pelo Athen.A. (em 2002),[20] depois pela A.Trap.[21] e, em 2004, milhões de átomos de anti-hidrogênio foram produzidos. Os átomos sintetizados tinham uma temperatura relativamente alta (alguns milhares de kelvins) e, como consequência, "batiam" nas paredes do aparato experimental e se aniquilavam. A maioria dos testes de precisão requer longos tempos de observação.

O A.L.Ph.A., um sucessor da colaboração Athen.A., foi formado para capturar de forma estável o anti-hidrogênio.[19] Enquanto eletricamente neutro, seus momentos magnéticos de spin interagem com um campo magnético que não é homogêneo; alguns átomos serão atraídos por um mínimo magnético, criado por uma combinação de espelhos e campos multipolares.[22]

Em novembro de 2010, a colaboração A.L.Ph.A. anunciou que havia capturado 38 átomos de anti-hidrogênio por um sexto de segundo,[23] o primeiro confinamento de antimatéria neutra. Em junho de 2011, eles prenderam 309 átomos de anti-hidrogênio, até 3 simultaneamente, por até 1.000 segundos.[24] Eles então estudaram sua estrutura hiperfina, efeitos de gravidade e carga. O A.L.Ph.A. continuará as medições junto com os experimentos A.Trap., A.E.G.i.S. e G.B.A.R..

Átomos de antimatéria maiores

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Átomos de antimatéria maiores, como o antideutério (
D
), antitrítio (
T
) e anti-hélio (
He
) são muito mais difíceis de produzir. Núcleos de antideutério,[25][26] anti-hélio-3 (3
He
)[27][28] e anti-hélio-4 (4
He
)[29] foram produzidos com velocidades tão altas que a síntese de seus átomos correspondentes apresenta vários obstáculos técnicos.

Ver também

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Notas

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  1. ↑ do inglês antihydrogen laser physics apparatus
  2. ↑ do inglês low energy antiproton ring
  3. ↑ do inglês clusters)
  4. ↑ do inglês antiproton decelerator

Referências

  1. ↑ «Antimatter atoms are corralled even longer» [Átomos de antimatéria ficam encurralados por ainda mais tempo]. BBC News (em inglês). 6 de junho de 2011. Consultado em 28 de setembro de 2023 
  2. ↑ a b Reich, Eugenie Samuel (2010). «Antimatter held for questioning» [Antimatéria mantida para questionamento]. Nature (em inglês). 468 (7322). 355 páginas. Bibcode:2010Natur.468..355R. PMID 21085144. doi:10.1038/468355aAcessível livremente 
  3. ↑ eiroforum.org – CERN: Antimatter in the trap – C.E.R.N.: Antimatéria na armadilha (em inglês) Arquivado em 2014-02-03 no Wayback Machine, dezembro de 2011, acessado em 8 de junho de 2012
  4. ↑ «Internal structure of antihydrogen probed for the first time» [Estrutura interna do anti-hidrogênio investigada pela primeira vez]. Physics World (em inglês). 7 de março de 2012 
  5. ↑ Castelvecchi, Davide (19 de dezembro de 2016). «Ephemeral antimatter atoms pinned down in milestone laser test» [Átomos efêmeros de antimatéria identificados em teste de laser marcante]. Nature (em inglês). doi:10.1038/nature.2016.21193. Consultado em 20 de dezembro de 2016 
  6. ↑ Ahmadi, M; et al. (19 de dezembro de 2016). «Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen» [Observação da transição 1S–2S no antihidrogênio aprisionado] (PDF). Nature (em inglês). 541 (7638): 506–510. Bibcode:2017Natur.541..506A. PMID 28005057. doi:10.1038/nature21040Acessível livremente 
  7. ↑ Grossman, Lisa (2 de julho de 2010). «The coolest antiprotons» [Os antiprótons mais frios]. Physical Review Focus (em inglês). 26 (1) 
  8. ↑ «Antihydrogen trapped for a thousand seconds» [Antihidrogênio preso por mil segundos]. Technology Review (em inglês). 2 de maio de 2011 
  9. ↑ Du, Hong. «Application of new relativistic quantum wave equation on hydrogen atom and its implications on antimatter gravitational experiments» [Aplicação da nova equação de onda quântica relativística no átomo de hidrogênio e suas implicações em experimentos gravitacionais de antimatéria] (em inglês). Cópia arquivada em 26 de abril de 2021 
  10. ↑ Palmer, Jason (14 de março de 2012). «Antihydrogen undergoes its first-ever measurement» [Anti-hidrogênio passa pela primeira medição]. BBC News (em inglês) 
  11. ↑ Freedman, David H. (janeiro de 1997). «Antiatoms: here today ...» [Antiátomos: aqui hoje ...]. Discover Magazine (em inglês) 
  12. ↑ Munger, Charles T. (1994). «Production of relativistic antihydrogen atoms by pair production with positron capture» [Produção de átomos de anti-hidrogênio relativísticos por produção de pares com captura de pósitrons]. Physical Review D (em inglês). 49 (7): 3228–3235. Bibcode:1994PhRvD..49.3228M. PMID 10017318. doi:10.1103/physrevd.49.3228 
  13. ↑ Baur, G.; Boero, G.; Brauksiepe, A.; Buzzo, A.; Eyrich, W.; Geyer, R.; Grzonka, D.; Hauffe, J.; Kilian, K.; LoVetere, M.; Macri, M.; Moosburger, M.; Nellen, R.; Oelert, W.; Passaggio, S.; Pozzo, A.; Röhrich, K.; Sachs, K.; Schepers, G.; Sefzick, T.; Simon, R.S.; Stratmann, R.; Stinzing, F.; Wolke, M. (1996). «Production of antihydrogen» [Produção de anti-hidrogênio]. Physics Letters B [en] (em inglês). 368 (3): 251ff. Bibcode:1996PhLB..368..251B. doi:10.1016/0370-2693(96)00005-6 
  14. ↑ Bertulani, Carlos A.; Baur, Gerhard (1988). «Pair production with atomic shell capture in relativistic heavy ion collisions» [Produção de pares com captura de concha atômica em colisões relativísticas de íons pesados] (PDF). Brazilian Journal of Physics. 18. 559 páginas 
  15. ↑ Bertulani, Carlos A.; Baur, Gerhard (1988). «Electromagnetic processes in relativistic heavy ion collisions» [Processos eletromagnéticos em colisões relativísticas de íons pesados] (PDF). Physics Reports. 163 (5–6). 299 páginas. Bibcode:1988PhR...163..299B. doi:10.1016/0370-1573(88)90142-1 
  16. ↑ Aste, Andreas; Hencken, Kai; Trautmann, Dirk; Baur, G. (1993). «Electromagnetic pair production with capture» [Produção de par eletromagnético com captura] (PDF). Physical Review A (em inglês). 50 (5): 3980–3983. Bibcode:1994PhRvA..50.3980A. PMID 9911369. doi:10.1103/PhysRevA.50.3980 
  17. ↑ Blanford, G.; Christian, D.C.; Gollwitzer, K.; Mandelkern, M.; Munger, C.T.; Schultz, J.; Zioulas, G. (dezembro de 1997). «Observation of atomic antihydrogen» [Observação do anti-hidrogênio atômico]. Fermi National Accelerator Laboratory. Physical Review Letters (em inglês). 80 (14). 3037 páginas. Bibcode:1997APS..APR.C1009C. doi:10.1103/PhysRevLett.80.3037. FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... p and H experiments – FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... experimentos p e H 
  18. ↑ Bertulani, C. A.; Baur, G. (1998). «Antihydrogen production and accuracy of the equivalent photon approximation» [Produção de anti-hidrogênio e precisão da aproximação de fótons equivalentes]. Physical Review D (em inglês). 58 (3). 034005 páginas. Bibcode:1998PhRvD..58c4005B. arXiv:hep-ph/9711273Acessível livremente. doi:10.1103/PhysRevD.58.034005 
  19. ↑ a b Madsen, N. (2010). «Cold antihydrogen: a new frontier in fundamental physics» [Anti-hidrogênio frio: uma nova fronteira na física fundamental]. Philosophical Transactions of the Royal Society A (em inglês). 368 (1924): 3671–3682. Bibcode:2010RSPTA.368.3671M. PMID 20603376. doi:10.1098/rsta.2010.0026Acessível livremente 
  20. ↑ Amoretti, M.; et al. (2002). «Production and detection of cold antihydrogen atoms» [Produção e detecção de átomos frios de anti-hidrogênio] (PDF). Nature (em inglês). 419 (6906): 456–459. Bibcode:2002Natur.419..456A. PMID 12368849. doi:10.1038/nature01096 
  21. ↑ Gabrielse, G.; et al. (2002). «Driven production of cold antihydrogen and the first measured distribution of antihydrogen states» [Produção impulsionada de anti-hidrogênio frio e a primeira distribuição medida de estados de anti-hidrogênio] (PDF). Physical Review Letters (em inglês). 89 (23): 233401. Bibcode:2002PhRvL..89w3401G. PMID 12485006. doi:10.1103/PhysRevLett.89.233401 
  22. ↑ Pritchard, D. E.; Heinz, T.; Shen, Y. (1983). «Cooling neutral atoms in a magnetic trap for precision spectroscopy» [Resfriamento de átomos neutros em uma armadilha magnética para espectroscopia de precisão]. Physical Review Letters (em inglês). 51 (21): 1983. Bibcode:1983PhRvL..51.1983T. doi:10.1103/PhysRevLett.51.1983 
  23. ↑ Andresen, G. B. (Colaboração do A.L.Ph.A. [en]); et al. (2010). «Trapped antihydrogen» [Anti-hidrogênio preso]. Nature (em inglês). 468 (7324): 673–676. Bibcode:2010Natur.468..673A. PMID 21085118. doi:10.1038/nature09610 
  24. ↑ Andresen, G. B. (Colaboração do A.L.Ph.A. [en]); et al. (2011). «Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds» [Confinamento de anti-hidrogênio por 1.000 segundos]. Nature Physics (em inglês). 7 (7): 558–564. Bibcode:2011NatPh...7..558A. arXiv:1104.4982Acessível livremente. doi:10.1038/nphys2025 
  25. ↑ Massam, T; Muller, Th.; Righini, B.; Schneegans, M.; Zichichi, A. (1965). «Experimental observation of antideuteron production». Il Nuovo Cimento (em inglês). 39 (1): 10–14. Bibcode:1965NCimS..39...10M. doi:10.1007/BF02814251 
  26. ↑ Dorfan, D. E; Eades, J.; Lederman, L. M.; Lee, W.; Ting, C. C. (junho de 1965). «Observation of antideuterons» [Observação de antideutérios]. Phys. Rev. Lett. (em inglês). 14 (24): 1003–1006. Bibcode:1965PhRvL..14.1003D. doi:10.1103/PhysRevLett.14.1003 
  27. ↑ Antipov, Y. M.; et al. (1974). «Observation of antihelium3 (in Russian)» [Observação do antihélio3 (em russo)]. Yadernaya Fizika (em inglês). 12: 311 
  28. ↑ Arsenescu, R.; et al. (2003). «Antihelium-3 production in lead-lead collisions at 158 A GeV/c». New Journal of Physics [en] (em inglês). 5 (1): 1. Bibcode:2003NJPh....5....1A. doi:10.1088/1367-2630/5/1/301Acessível livremente 
  29. ↑ Agakishiev, H.; et al. (2011). «Observation of the antimatter helium-4 nucleus» [Observação do núcleo de hélio-4 de antimatéria]. Nature (em inglês). 473 (7347): 353–6. Bibcode:2011Natur.473..353S. PMID 21516103. arXiv:1103.3312Acessível livremente. doi:10.1038/nature10079 

Ligações externas

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