Matéria e antimatéria podem ser criadas do nada

"A questão básica do que é o vácuo, o que não é o nada, vai além da ciência." [Imagem: iStockphoto/Evgeny Kuklev/Umich]

Sob as condições adequadas - que incluem um feixe de laser de ultra-alta intensidade e um acelerador de partículas de dois quilômetros de extensão - pode ser possível criar algo do nada.

É o que garante Igor Sokolov e seus colegas da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.

O grupo desenvolveu novas equações que descrevem como um feixe de elétrons de alta energia, combinado com um intenso pulso de laser, pode rasgar o vácuo, liberando seus componentes fundamentais de matéria e antimatéria, e desencadear uma cascata de eventos que gera pares adicionais detectáveis de partículas e antipartículas.

Criar matéria do nada

Não é a primeira vez que cientistas afirmam que um super laser pode criar matéria do nada. De um nada que não é exatamente ausência de tudo, mas uma sopa fervilhante de ondas e campos de todos os tipos, onde partículas virtuais surgem e desaparecem o tempo todo.

Em 2008, um artigo publicado na revista Science descreveu como a matéria se origina de flutuações do vácuo quântico.

"Agora nós pudemos calcular como, a partir de um único elétron, podem ser produzidas várias centenas de partículas. Acreditamos que isso acontece na natureza, perto de pulsares e estrelas de nêutrons," afirma Igor Sokolov, um dos autores do estudo.

Foi um grupo de brasileiros que demonstrou recentemente que uma estrela de nêutrons pode acordar o vácuo quântico.

O que é o nada?

Na base de todos estes trabalhos está a idéia de que o vácuo quântico não é exatamente o nada.

"É melhor dizer, acompanhando o físico teórico Paul Dirac, que um vácuo, ou um nada, é a combinação de matéria e antimatéria - partículas e antipartículas. Sua densidade é tremenda, mas não podemos perceber nada delas porque seus efeitos observáveis anulam-se completamente," disse Sokolov.

Em condições normais, matéria e antimatéria destroem-se mutuamente assim que entram em contato uma com a outra, emitindo raios gama, que já se imaginou aproveitar para construir um laser de raios gama.

"Mas sob um forte campo eletromagnético, este aniquilamento, que tipicamente funciona como um ralo de escoamento, pode ser a fonte de novas partículas," explica John Nees, coautor do estudo. "No curso da aniquilação, surgem fótons gama, que podem produzir elétrons e pósitrons adicionais."

Um fóton gama é uma partícula de luz de alta energia. Um pósitron é um anti-elétron, uma partícula gêmea do elétron, com as mesmas propriedades, mas com carga positiva.

Reação em cadeia

Os que os cientistas calculam é que os fótons de raios gama produzirão uma reação em cadeia que poderá gerar partículas de matéria e antimatéria detectáveis.

Em um experimento, preveem eles, um campo de laser forte o suficiente irá gerar mais partículas do que as injetadas por meio de um acelerador de partículas.

No momento, não existe nenhum laboratório que tenha todas as condições necessárias - um super laser e um acelerador de partículas - para testar a teoria.

Mas, para Sokolov, o tema já é fascinante o suficiente do ponto de vista filosófico.

"A questão básica do que é o vácuo, o que não é o nada, vai além da ciência," afirma ele. "Ela está profundamente incorporada não apenas nos fundamentos da física teórica, mas também da nossa percepção filosófica de tudo - da realidade, da vida, e até mesmo da questão religiosa sobre se o mundo poderia ter vindo do nada."

Recentemente, físicos do LHC conseguiram capturar antimatéria pela primeira vez - veja também CERN dá mais um passo no estudo da antimatéria.

Bibliografia:

Pair Creation in QED-Strong Pulsed Laser Fields Interacting with Electron Beams
Igor Sokolov, Natalia Naumova, John Nees, Gérard Mourou
Physical Review Letters

Confirmado: a matéria é resultado de flutuações do vácuo quântico

[Imagem: Forschungszentrum Julich/Seitenplan/NASA/ESA/AURA-Caltech]

A teoria de que a matéria não tem fundações tão firmes quanto sugerem termos como "concreto" e "sólido" não é tão nova. Mas esta é a primeira vez que os cientistas conseguiram demonstrar que a matéria se origina de meras flutuações do vácuo quântico.

Modelo Padrão da Física

Uma equipe internacional de físicos demonstrou de forma conclusiva que o Modelo Padrão da física das partículas - a teoria que descreve as interações fundamentais das partículas elementares para formar toda a matéria visível no universo - explica com precisão a massa dos prótons e dos nêutrons.

"Mais de 99% da massa do universo visível é formado por prótons e nêutrons," afirma o estudo, publicado na revista Science. "Esses dois tipos de partículas são muito mais pesados do que os quarks e glúons que as constituem, e o Modelo Padrão da física deve explicar essa diferença."

O que faz com que a matéria seja matéria?

Cada próton e cada nêutron é formado por três quarks. Ocorre que esses três quarks juntos respondem apenas por 1% da massa de todo os prótons ou nêutrons. A explicação conclusiva que faltava era: Então, o que responde pelo restante da massa dessas partículas? Em outras palavras, "O que faz com que a matéria seja matéria?"

O Dr. Andreas S. Kronfeld explica que, como os núcleos atômicos formam quase todo o peso do mundo, e como esses núcleos são compostos de partículas chamadas quarks e glúons, "os físicos acreditam há muito tempo que a massa do núcleo atômico tem sua origem na complicada forma com que os glúons se ligam aos quarks, conforme as leis da cromodinâmica quântica (QCD - Quantum ChromoDynamics)."

Partículas virtuais

Os glúons são uma espécie de "partículas virtuais," que surgem e desaparecem de forma aleatória. O campo formado por essas partículas virtuais seria responsável pela força que une os quarks - a chamada força nuclear forte.

Ocorre que, como o número de interações reais e virtuais entre quarks e glúons é estimada na casa dos trilhões, é incrivelmente difícil, ou até mesmo impossível, usar as equações da QCD (cromodinâmica quântica) para calcular a força nuclear forte.

Os pesquisadores então criaram uma nova técnica, batizada por eles de Rede QCD, na qual o espaço é representando na forma de uma rede discreta de pontos, como os pixels de uma tela de computador. Este modelo permitiu que os cientistas incorporassem toda a física necessária e deu a eles o controle das aproximações numéricas e da taxa de erros nos cálculos da massa dos hádrons - prótons, nêutrons e píons.

A rede QCD reduz toda a complexidade das equações virtualmente insolúveis em um conjunto de integrais, que puderam ser programadas para solução em um programa de computador.

Isto permitiu que, pela primeira vez, os físicos incluíssem em seus cálculos as interações quark-antiquark, uma das maiores complexidades da força nuclear forte. Agora, além dos glúons, eles sabem que a massa dos quarks-antiquarks se origina da flutuação do vácuo quântico.

Diferença entre acreditar e saber

Conforme os pesquisadores, agora é possível eliminar a expressão "os físicos acreditam", substituindo-a por "os físicos sabem", quando o assunto é a QCD.

Segundo o Dr. Kronfeld, os cálculos revelaram que, "mesmo se a massa dos quarks for eliminada, o massa do núcleo não varia muito, um fenômeno algumas vezes chamado de 'massa sem massa'."

Toda a matéria do universo é virtual

A forma como a natureza cria a massa dos quarks é um dos assuntos de maior interesse dos físicos que irão trabalhar no Grande Colisor de Hádrons, o LHC,, que deverá começar a funcionar em 2009.

O LHC vai tentar confirmar experimentalmente a existência do chamado campo de Higgs, que explica a massa dos quarks individuais, dos elétrons e de algumas outras partículas. Ocorre que o campo de Higgs também cria a massa a partir das flutuações do vácuo quântico.

Ou seja, com a atual confirmação de que a massa dos glúons e quarks-antiquarks tem sua origem na flutuação do vácuo quântico, se o LHC confirmar a existência do campo de Higgs, então a conclusão inevitável será de que toda a matéria do universo é virtual, originando-se de meras flutuações de energia.