Os cientistas se divertem em explorar mistérios, e quanto maior o mistério, maior o entusiasmo. Existem muitas questões sem resposta na ciência, mas quando você está crescendo, é difícil vencer "Por que há algo, em vez de nada?"
Pode parecer uma pergunta filosófica, mas é muito passível de investigação científica. Afirmou um pouco mais concretamente: "Por que o universo é feito dos tipos de matéria que tornam a vida humana possível, para que possamos fazer essa pergunta?" Cientistas que realizam pesquisas no Japão anunciaram uma medida no mês passado que aborda diretamente as perguntas mais fascinantes. Parece que sua medição discorda das expectativas mais simples da teoria atual e pode muito bem apontar para uma resposta a essa pergunta atemporal.
Sua medição parece dizer que, para um conjunto particular de partículas subatômicas, matéria e antimatéria agem de maneira diferente.
Matéria vs. Antimatéria
Usando o acelerador J-PARC, localizado em Tokai, Japão, os cientistas dispararam um feixe de partículas subatômicas fantasmagóricas chamadas neutrinos e suas contrapartes de antimatéria (antineutrinos) através da Terra até o experimento Super Kamiokande, localizado em Kamioka, também no Japão. Esse experimento, chamado T2K (Tokai to Kamiokande), foi projetado para determinar por que nosso universo é feito de matéria. Um comportamento peculiar exibido pelos neutrinos, chamado oscilação de neutrinos, pode lançar alguma luz sobre esse problema muito irritante.
Perguntar por que o universo é feito de matéria pode parecer uma pergunta peculiar, mas há uma boa razão para que os cientistas se surpreendam com isso. É porque, além de conhecer a existência da matéria, os cientistas também conhecem a antimatéria.
Em 1928, o físico britânico Paul Dirac propôs a existência da antimatéria - um irmão antagônico da matéria. Combine quantidades iguais de matéria e antimatéria e os dois se aniquilam, resultando na liberação de uma enorme quantidade de energia. E, como os princípios da física geralmente funcionam igualmente bem ao contrário, se você tem uma quantidade prodigiosa de energia, ela pode se converter em quantidades exatamente iguais de matéria e antimatéria. A antimatéria foi descoberta em 1932 pelo americano Carl Anderson e os pesquisadores tiveram quase um século para estudar suas propriedades.
No entanto, essa frase "em quantidades exatamente iguais" é o cerne do enigma. Nos breves momentos imediatamente após o Big Bang, o universo estava cheio de energia. À medida que se expandia e esfriava, essa energia deveria ter se convertido em partes iguais de matéria e partículas subatômicas da antimatéria, que devem ser observadas hoje. E, no entanto, nosso universo consiste essencialmente inteiramente de matéria. Como pode ser?
Contando o número de átomos no universo e comparando-o com a quantidade de energia que vemos, os cientistas determinaram que "exatamente igual" não está certo. De alguma forma, quando o universo tinha cerca de um décimo de bilionésimo de segundo, as leis da natureza se inclinavam levemente na direção da matéria. Para cada 3.000.000.000 de partículas de antimatéria, havia 3.000.000.000 de partículas de matéria. Os 3 bilhões de partículas de matéria e 3 bilhões de partículas de antimatéria se combinaram - e se aniquilaram de volta à energia, deixando o leve excesso de matéria para compor o universo que vemos hoje.
Desde que esse quebra-cabeça foi entendido há quase um século, os pesquisadores estudaram matéria e antimatéria para ver se podiam encontrar comportamento em partículas subatômicas que explicariam o excesso de matéria. Eles estão confiantes de que matéria e antimatéria são produzidas em quantidades iguais, mas também observaram que uma classe de partículas subatômicas chamadas quarks exibem comportamentos que favorecem levemente a matéria sobre a antimatéria. Essa medida em particular foi sutil, envolvendo uma classe de partículas denominadas K mesons, que podem converter de matéria em antimatéria e voltar novamente. Mas há uma ligeira diferença na matéria convertida em antimatéria em comparação com o inverso. Esse fenômeno foi inesperado e sua descoberta levou ao prêmio Nobel de 1980, mas a magnitude do efeito não foi suficiente para explicar por que a matéria domina em nosso universo.
Vigas fantasmagóricas
Assim, os cientistas voltaram sua atenção para os neutrinos, para ver se seu comportamento pode explicar o excesso de matéria. Neutrinos são os fantasmas do mundo subatômico. Interagindo apenas com a força nuclear fraca, eles podem atravessar a matéria sem interagir quase nada. Para dar uma sensação de escala, os neutrinos são mais comumente criados em reações nucleares e o maior reator nuclear ao redor é o Sol. Proteger-se de metade dos neutrinos solares exigiria uma massa de chumbo sólido com cerca de 5 anos-luz de profundidade. Neutrinos realmente não interagem muito.
Entre 1998 e 2001, uma série de experimentos - um usando o detector Super Kamiokande e outro usando o detector SNO em Sudbury, Ontário - provou definitivamente que os neutrinos também exibem outro comportamento surpreendente. Eles mudam de identidade.
Os físicos conhecem três tipos distintos de neutrinos, cada um associado a um irmão subatômico único, chamado elétrons, múons e taus. Os elétrons são o que causa eletricidade, e as partículas de múon e tau são muito parecidas com elétrons, mas mais pesadas e instáveis.
Os três tipos de neutrinos, chamados de elétron neutrino, muon neutrino e tau neutrino, podem "transformar-se" em outros tipos de neutrinos e vice-versa. Esse comportamento é chamado de oscilação de neutrinos.
A oscilação dos neutrinos é um fenômeno exclusivamente quântico, mas é aproximadamente análogo a começar com uma tigela de sorvete de baunilha e, depois que você encontra uma colher, volta para descobrir que a tigela é meia baunilha e meio chocolate. Os neutrinos mudam sua identidade de um tipo inteiramente único, para uma mistura de tipos, para um tipo completamente diferente e depois voltando ao tipo original.
Oscilações antineutrinos
Neutrinos são partículas de matéria, mas também existem neutrinos de antimatéria, chamados antineutrinos. E isso leva a uma pergunta muito importante. Os neutrinos oscilam, mas os antineutrinos também oscilam e oscilam exatamente da mesma maneira que os neutrinos? A resposta para a primeira pergunta é sim, enquanto a resposta para a segunda não é conhecida.
Vamos considerar isso um pouco mais completamente, mas de uma maneira simplificada: suponha que houvesse apenas dois tipos de neutrinos - múon e elétron. Suponha ainda que você tenha um feixe de neutrinos puramente do tipo múon. Os neutrinos oscilam a uma velocidade específica e, como se aproximam da velocidade da luz, oscilam em função da distância de onde foram criados. Assim, um feixe de neutrinos de múons puros parecerá uma mistura de tipos de múons e elétrons a certa distância, depois tipos puramente de elétrons a outra distância e depois voltarão apenas ao múon. Os neutrinos da antimatéria fazem a mesma coisa.
No entanto, se os neutrinos da matéria e da antimatéria oscilarem em taxas ligeiramente diferentes, você esperaria que se estivesse a uma distância fixa do ponto em que um feixe de neutrinos do múon puro ou antineutrinos do múon fosse criado, então, no caso dos neutrinos, você veria uma mistura de neutrinos de múon e elétron, mas no caso da antimatéria de neutrinos, você veria uma mistura diferente de múon de antimatéria e neutrinos de elétrons. A situação atual é complicada pelo fato de haver três tipos de neutrinos e a oscilação depender da energia do feixe, mas essas são as grandes idéias.
A observação de diferentes frequências de oscilação por neutrinos e antineutrinos seria um passo importante para entender o fato de que o universo é feito de matéria. Não é toda a história, porque novos fenômenos adicionais também devem se manter, mas a diferença entre matéria e neutrinos da antimatéria é necessária para explicar por que há mais matéria no universo.
Na atual teoria predominante que descreve as interações de neutrinos, existe uma variável sensível à possibilidade de neutrinos e antineutrinos oscilarem de maneira diferente. Se essa variável for zero, os dois tipos de partículas oscilam a taxas idênticas; se essa variável for diferente de zero, os dois tipos de partículas oscilam de maneira diferente.
Quando T2K mediu essa variável, eles descobriram que era inconsistente com a hipótese de que neutrinos e antineutrinos oscilam de forma idêntica. Um pouco mais tecnicamente, eles determinaram uma gama de valores possíveis para essa variável. Há uma chance de 95% de que o valor verdadeiro dessa variável esteja dentro desse intervalo e apenas 5% de chance de que a variável verdadeira esteja fora desse intervalo. A hipótese "sem diferença" está fora da faixa de 95%.
Em termos mais simples, a medição atual sugere que os neutrinos e antimatéria oscilam de maneira diferente, embora a certeza não suba ao nível para fazer uma reivindicação definitiva. De fato, os críticos apontam que medidas com esse nível de significância estatística devem ser vistas de maneira muito, muito cética. Mas é certamente um resultado inicial enormemente provocador, e a comunidade científica mundial está extremamente interessada em ver estudos aprimorados e mais precisos.
O experimento T2K continuará registrando dados adicionais na esperança de fazer uma medição definitiva, mas não é o único jogo na cidade. No Fermilab, localizado nos arredores de Chicago, um experimento semelhante chamado NOVA está atirando nos neutrinos e antimatéria no norte de Minnesota, na esperança de derrotar o T2K. E, olhando mais para o futuro, o Fermilab está trabalhando duro no que será seu experimento principal, chamado DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), que terá capacidades muito superiores para estudar esse importante fenômeno.
Embora o resultado do T2K não seja definitivo e a cautela seja garantida, é certamente tentador. Dada a enormidade da questão de por que nosso universo parece não ter antimatéria apreciável, a comunidade científica do mundo aguardará avidamente novas atualizações.
