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dez 14

Física: como gerar matéria e antimatéria a partir do vácuo? O que é o ‘nada’?

Matéria + Antimatéria = Energia: ao colidirem uma partícula de matéria com sua antimatéria transformam-se em energia pura, proporcional a massa consumida, gerando a energia E=mc². O novo estudo demonstra as equações necessárias para gerar matéria e antimatéria a partir do 'nada' com a energia fornecida por um feixe de laser de alta intensidade.

Matéria + Antimatéria = Energia: ao colidirem uma partícula de matéria com sua antimatéria transformam-se em energia pura, proporcional a massa consumida, gerando a energia E=mc². O novo estudo demonstra as equações necessárias para gerar matéria e antimatéria a partir do ‘nada’ com a energia fornecida por um feixe de laser de alta intensidade.

Se utilizarmos as ferramentas adequadas, incluindo um feixe de laser de intensidade ultra-alta e um acelerador de partículas de 3 quilômetros ou mais de comprimento é possível criar algo do nada (do vácuo), conforme sugerem os pesquisadores da Universidade de Michigan em recente estudo.

Cientistas e engenheiros desenvolveram novas equações que demonstram que um feixe de elétrons de alta energia mais um pulso de laser intenso poderiam desmembrar o vazio (vácuo) nos seus dois componentes fundamentais (matéria + antimatéria) e desencadear uma cascata de eventos que gerariam pares adicionais de partículas e anti-partículas.

Abstract do artigo “Pair Creation in QED-Strong Pulsed Laser Fields Interacting with Electron Beams”. Clique na imagem para acessar o artigo em pdf.

“Agora nós podemos calcular como, partindo de um único elétron, podem ser geradas várias centenas de partículas. Acreditamos que isso acontece na natureza em torno de pulsares e estrelas de nêutrons “, disse Igor Sokolov, um cientista de pesquisa em engenharia que conduziu este estudo juntamente com o cientista associado John Nees, o professor emérito de engenharia elétrica Gerard Mourou e demais colegas da França.

Que é o ‘vazio’? Que é o ‘nada’?

No cerne deste trabalho está a concepção básica de que o ‘vazio’ não é exatamente o ‘nada’. Solokov afirmou:

É melhor falar da maneira que o físico teórico Paul Dirac nos ensinou, o ‘nada’ (o vácuo) é uma combinação estável de matéria e anti-matéria, ou seja, das partículas e anti-partículas. Sua densidade é tremendamente grande, mas não podemos percebê-la porque os efeitos físicos observáveis se anulam completamente.

Isto explicaria porque a matéria e anti-matéria, quando entram em contato em condições normais, se aniquilam mutuamente. Nees esclareceu:

Mas, sob um forte campo eletromagnético, o aniquilamento matéria/antimatéria que normalmente é um mecanismo de fuga, pode ser a fonte de novas partículas. No transcorrer da aniquilação surgem os  fótons de radiação gama que, por sua vez, podem produzir pares extras de elétrons e pósitrons.

Um fóton de raio-gama é uma pacote de radiação com alta energia. Um pósitron é um anti-elétron, uma partícula espelho e com as mesmas propriedades físicas do elétron (carga negativa), exceto a carga elétrica que é oposta (positiva).

Os investigadores descrevem este novo trabalho como um avanço teórico e “um salto qualitativo no desenvolvimento desta teoria”.

Um experimento levado a cabo no final dos anos 1990 conseguiu gerar fótons de radiação gama a partir do vácuo, e ocasionalmente pares de elétrons e pósitrons. Estas novas equações levam este trabalho um passo a frente para modelar como um potente campo de laser poderia promover a criação de uma quantidade maior de partículas que as que foram inicialmente injetadas através do acelerador de partículas neste experimento. Sokolov explicou o processo:

Se um elétron tem a capacidade de se tornar três distintas partículas em um curto período de tempo, isso significa que não há mais o elétron original. As teorias anteriores sobre o elétron baseia-se no fato de que um elétron sempre será um elétron. Mas em nossos cálculos, cada uma das partículas carregadas se converte em uma combinação de três partículas mais um certa quantidade de fótons.

Os pesquisadores tem desenvolvido uma ferramenta para no futuro colocar suas equações na prática, em escalas muito pequenas, utilizando o dispositivo laser HERCULES, pertencente a Universidade de Michigan. Para testar todo o potencial de sua teoria, teríamos que construir um equipamento de laser semelhante ao HERCULES acoplado a um acelerador de partículas como o do SLAC National Accelerator Laboratory da Universidade de Stanford. No entanto, tal infra-estrutura não está atualmente planejada.

Dispositivo laser HERCULES da Universidade de Michigan. Crédito: Anatoly Maksimchuk (U-M)

Este trabalho potencialmente poderia ter aplicações na engenharia da fusão por confinamento inercial, que poderia produzir energia ecologicamente mais limpa a partir de reações de fusão nuclear, disseram os pesquisadores.

Para Sokolov, este é um tema fascinante sob ponto de vista filosófico. Ele afirmou:

A questão básica sobre o que é o ‘vácuo’ e o que é o ‘nada’ vai além da ciência. Estes conceitos estão profundamente enraizados não só na base da física teórica, mas também em nossa percepção filosófica do todo, da realidade e da vida, podendo incluir até mesmo a questão religiosa de como o Universo poderia ter surgido a partir do ‘nada’.

O artigo sobre este intrigante tema, “Pair Creation in QED-Strong Pulsed Laser Fields Interacting with Electron Beams”, foi publicado na revista Physical Review Letters .

Um exemplo de como a anti-matéria e os raios-gama são gerados na Natureza foi abordado aqui: Fermi: detectada a assinatura da antimatéria em raios.

Sobre a assimetria da matéria/anti-matéria recomendamos ler: Física: Por que existimos? A supremacia da Matéria sobre a Antimatéria foi finalmente medida e comprovada

Igor Sokolov é um cientista pesquisador do Space Physics Research Laboratory pertencente ao Department of Atmospheric, Oceanic and Space Sciences. John Nees é um cientista pesquisador associado ao Department of Electrical Engineering and Computer Science e é um membro do Center for Ultrafast Optical Science. Gerard Mourou é professor de engenharia elétrica, com o título de ‘A.D. Moore Distinguished University Professor Emeritus’, que está trabalhando atualmente com o Institut de la Lumiere Extreme na França. O trabalho contou com a colaboração de Natalia M. Naumova do Laboratoire d’Optique Appliquee na França.

Fontes

Universidade de Michigan:

  1. Theoretical breakthrough: Generating matter and antimatter from the vacuum
  2. Michigan laser beam believed to set record for intensity

Artigo Científico

  1. ArXiv.org: Pair Creation in QED-Strong Pulsed Laser Fields Interacting with Electron Beams

._._.

2 comentários

  1. rogerio

    apesar de não entender muito sobre o assunto fico impressionado com tanta informação, gostei muito

  2. Rhyel

    Muito bacana isto, confesso que deu um nó no meu Cérebro, mas achei interessante. Parabéns.

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