O CERN descobriu outra pista para o mistério da antimatéria desaparecida no Universo

Este é um dos maiores mistérios da física. Todas as partículas que constituem a matéria ao nosso redor - elétrons e prótons - têm versões de antimatéria quase idênticas, mas com propriedades especulares, como a carga elétrica oposta.

Quando a antimatéria e uma partícula de matéria se encontram, elas se aniquilam em uma explosão de energia.

Se a antimatéria e a matéria são de fato idênticas, mas imagens espelhadas uma da outra, elas deveriam ter sido produzidas em quantidades iguais durante o Big Bang. O problema é que isso destruiria tudo. Mas hoje quase não resta antimatéria no Universo - ela aparece apenas em alguns decaimentos radioativos e em uma pequena parte dos raios cósmicos.

Então o que aconteceu com ele? Usando o experimento LHCb no CERN para estudar a diferença entre matéria e antimatéria, descobrimos uma nova maneira de fazer essa diferença.

A existência de antimatéria foi prevista pela equação do físico Paul Dirac que descreve o movimento dos elétrons em 1928. Não ficou claro no início se isso era apenas uma peculiaridade matemática ou a descrição de uma partícula real.

Mas em 1932, Karl Anderson descobriu a antimatéria, a parceira do elétron - o pósitron - no estudo dos raios cósmicos que caem do espaço na Terra. Nas décadas seguintes, os físicos descobriram que todas as partículas de matéria têm parceiros de antimatéria.

Os cientistas acreditam que em um estado muito quente e denso, logo após o Big Bang, deveriam ter ocorrido processos em que a matéria preferisse a antimatéria. Isso criou um leve excesso de matéria e, quando o universo esfriou, toda a antimatéria foi destruída ou aniquilada por uma quantidade igual de matéria, deixando um minúsculo excesso de matéria.

E é esse excesso que compõe tudo o que vemos no universo hoje.

Não está claro exatamente quais processos levaram ao excedente, e os físicos têm monitorado isso de perto por décadas.

O comportamento dos quarks, que são os blocos de construção fundamentais da matéria junto com os léptons, pode lançar luz sobre a diferença entre matéria e antimatéria. Quarks vêm em muitos tipos ou "sabores" diferentes, conhecidos como superior, inferior, encantador, estranho, diligente e verdadeiro, além de seis antiquarks correspondentes.

Os quarks up e down são o que compõem os prótons e nêutrons nos núcleos da matéria comum, e outros quarks podem ser formados por processos de alta energia - por exemplo, quando as partículas colidem em aceleradores como o Large Hadron Collider do CERN.

As partículas compostas por um quark e um antiquark são chamadas de mésons, e há quatro mésons neutros (B0S, B0, D0 e K0) que exibem comportamento excitante. Eles podem se transformar espontaneamente em seu parceiro antipartícula e, em seguida, voltar - um fenômeno que foi observado pela primeira vez em 1960.

Por serem instáveis, eles irão "decair" - desmoronar - em outras partículas mais estáveis ​​em algum ponto durante sua oscilação. Esse decaimento para mésons ocorre de maneira um pouco diferente do que para antimesons, o que, combinado com a oscilação, significa que a taxa de decaimento muda com o tempo.

As regras para vibrações e decaimentos são fornecidas por um arcabouço teórico denominado Mecanismo Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Ele prevê que há uma diferença no comportamento da matéria e da antimatéria, mas é muito pequena para gerar o excesso de matéria no universo primitivo, necessário para explicar a abundância que vemos hoje.

Isso indica que há algo que não entendemos e que estudar este tópico pode colocar em questão algumas de nossas teorias mais fundamentais na física.

Nova física?

Nosso resultado recente do experimento LHCb é o estudo de mésons B0S neutros, o estudo de seus decaimentos em pares de mésons K carregados. Os mésons B0S foram criados colidindo prótons com outros prótons no Grande Colisor de Hádrons, onde eles oscilaram em sua anti-temporada e voltaram três trilhões de vezes por segundo. As colisões também criaram mésons anti-B0S que oscilam da mesma maneira, dando-nos amostras de mésons e antimesons que poderíamos comparar.

Contamos o número de decaimentos nas duas amostras e comparamos os dois números para ver como essa diferença mudou com o desenvolvimento das flutuações. Houve uma pequena diferença - mais decaimentos ocorreram para um dos mésons B0S. E pela primeira vez para os mésons B0S, notamos que a diferença no decaimento ou assimetria muda dependendo das vibrações entre o méson B0S e o antimeson.

Além de ser um marco importante no estudo da diferença entre matéria e antimatéria, também pudemos medir o tamanho das assimetrias. Isso pode ser traduzido em medições de vários parâmetros da teoria subjacente.

A comparação dos resultados com outras medições fornece uma verificação de consistência para saber se a teoria atualmente aceita é uma descrição correta da natureza. Visto que a leve preferência pela matéria em vez da antimatéria que observamos em uma escala microscópica não pode explicar a enorme abundância de matéria que observamos no universo, é provável que nossa compreensão atual seja uma aproximação de uma teoria mais fundamental.

O exame desse mecanismo, que sabemos pode gerar uma assimetria de matéria e antimatéria examinando-o de ângulos diferentes, pode nos dizer qual é o problema. Explorar o mundo em menor escala é nossa melhor chance de entender o que vemos em maior escala.

Lars Eklund, Professor de Física de Partículas, Universidade de Glasgow.

Reimpresso de The Conversation.