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Em física de partículas e química quantica, antimatéria é a extens?o do conceito de antipartícula da matéria, por meio de que a antimatéria é composta das chamadas antipartículas, da mesma maneira que matéria normal está composta das partículas subat?micas.

Por exemplo, pósitrons (elétrons com carga positiva), antiprótons (prótons com carga negativa) e antinêutrons (com carga nula como os nêutrons, mas contrários a estes no que diz respeito a outras particularidades) poderiam dar forma a antiátomos, da mesma maneira que elétrons, prótons e nêutrons d?o forma a átomos normais da matéria.

Além disso, a mistura da matéria e da antimatéria conduziria ao aniquilamento de ambas, da mesma maneira que a mistura das antipartículas e das partículas, criando assim fótons de grande energia (raios gama) e outros pares de partículas e antipartículas. As partículas que resultam do aniquilamento matéria–antimatéria s?o dotadas de energia igual à diferen?a entre a massa de repouso dos produtos do aniquilamento e a massa de repouso do par original da matéria-antimatéria, que é sempre grande (ver: aniquila??o pósitron-elétron).

Introdu??o

Em 1928, o físico teórico britanico Paul Dirac elaborou uma equa??o que leva seu nome. Esta equa??o tornou possível antever a existência dos pósitrons e, portanto, a existência da antimatéria.

Há uma especula??o considerável na ciência e na fic??o científica a respeito do motivo pelo qual o universo observado parece ser constituído inteiramente de matéria. Especula-se a respeito de outros lugares possivelmente constituídos apenas por antimatéria. Atualmente, a assimetria aparente entre matéria e antimatéria é um dos maiores problemas sem solu??o da física. O possível processo pelo qual ocorreu é explorado mais detalhadamente na bariogênese.

Em 1995, foram produzidos antiátomos de anti-hidrogênio, assim como núcleos de anti-deutério, criados a partir de um antipróton e um antinêutron. Já em 2011, uma colabora??o, que reuniu 584 cientistas e que contou com físicos da USP e Unicamp, produziu, no Laboratório Nacional Brookhaven (EUA), antinúcleos de Hélio, formados por dois antiprótons e dois antinêutrons, a por??o de antimatéria mais pesada já produzida.

A antimatéria cria-se no universo como resultado da colis?o entre partículas de alta energia, como ocorre no centro das galáxias, entretanto, n?o se tem detectado nenhum tipo de antimatéria como resíduo do Big Bang, coisa que ocorre com a matéria normal. A desigual distribui??o entre a matéria e a antimatéria no universo tem sido, durante muito tempo, um mistério. A solu??o mais provável reside em certa assimetria nas propriedades dos mésons-B e suas antipartículas, os antimésons-B.

Os pósitrons e os antiprótons podem ser armazenados num dispositivo denominado, em inglês, Penning trap ("armadilha Penning"), que usa uma combina??o de campos magnéticos e elétricos. Para a cria??o de armadilhas que retenham átomos completos de anti-hidrogênio foram empregados campos magnéticos muito intensos, assim como temperaturas muito baixas. As primeiras destas armadilhas foram desenvolvidas pelos projetos ATRAP e ATHENA.

Foguete de antimatéria: astronave que, teoricamente, utilizaria antimatéria como combustível.

O símbolo que se usa para descrever uma antipartícula é o mesmo símbolo da partícula normal, porém com um tra?o sobre o símbolo. Por exemplo, o antipróton é simbolizado como:

$({\bar {\mbox{p}}})$.

As rea??es entre matéria e antimatéria tem aplica??es práticas na medicina como, por exemplo, na tomografia por emiss?o de pósitrons (PET).

As colis?es entre matéria e antimatéria convertem toda a massa possível das partículas em energia. Esta quantidade é muito maior que a energia química ou mesmo a energia nuclear que se podem obter atualmente através de rea??es químicas, fiss?o ou mesmo fus?o nuclear. A rea??o de 1 kg de antimatéria com 1 kg de matéria produziria 1.8×10¹⁷ J de energia (segundo a equa??o E=mc2). Em contraste, queimar 1 kg de petróleo produziria 4.2×10⁷ J, e a fus?o nuclear de 1 kg de hidrogênio produziria 2.6×10¹⁵ J.

A escassez de antimatéria significa que n?o existe uma disponibilidade imediata para ser usada como combustível. Gerar somente um antipróton é imensamente difícil e requer aceleradores de partículas, assim como imensas quantidades de energia (muito maior do que a obtida pelo aniquilamento do antipróton), devido à ineficiência do processo. Os métodos conhecidos para produzir antimatéria também produzem uma quantidade igual de matéria normal, de forma que o limite teórico do processo é a metade da energia administrada se converter em antimatéria. Inversamente, quando a antimatéria é aniquilada com a matéria ordinária, a energia emitida é o dobro da massa de antimatéria, de forma que o armazenamento de energia na forma de antimatéria poderia apresentar (em teoria) uma eficiência de 100%.

Na atualidade, a produ??o de antimatéria é muito limitada, porém tem aumentado em progress?o geométrica desde o descobrimento do primeiro antipróton em 1995. A taxa atual de produ??o de antimatéria é entre 1 e 10 nanogramas por ano, esperando-se um incremento substancial com as novas instala??es do CERN e da Fermilab.

Considerando as partículas mais elementares que se conhecem atualmente: Lépton (Elétron, Elétron-neutrino, Múon, múon-neutrino, Tau e Tau-neutrino), Quarks (Up, Down, Charm, Strange, Top e Bottom) e Bósons (Fótons, Glúons, Bósons vetoriais mediadores e grávitons), podemos dizer que para cada uma delas, existe uma antipartícula, com massa igual porém com carga elétrica e momento magnético inverso. Elas d?o origem ao antielétron (chamado também de pósitron), ao antipróton e ao antinêutron - a antimatéria, portanto.

A teoria

A teoria mais aceita para a origem do Universo é a do Big Bang que diz que tudo se iniciou numa grande explos?o. Nos primeiros instantes o universo n?o era constituído por matéria, mas sim por energia sob forma de radia??o. O universo ent?o passou a expandir-se e, consequentemente, a esfriar. Pares de partícula-antipartícula eram criados e aniquilados em grande quantidade. Com a queda de temperatura a matéria p?de come?ar a formar hádrons, assim como a antimatéria a formar anti-hádrons, pois matéria e antimatéria foram geradas em quantidades iguais. Atualmente, no entanto, parece que vivemos em um universo onde só há matéria.

Na esquerda: Partículas (elétron, próton, nêutron).
Na direita: Antipartículas (pósitron, antipróton, antinêutron).

Na realidade, já é estranho que o universo exista^{[carece de fontes]}, pois, quando a matéria e a antimatéria se encontram, o processo inverso da cria??o ocorre, ou seja, elas anulam-se gerando apenas energia nesse processo. Seria altamente provável^{[carece de fontes]}, portanto, que logo após terem sido criadas, partículas e antipartículas se anulassem, impedindo que corpos mais complexos como hádrons, átomos, moléculas, minerais e seres vivos pudessem formar-se^{[carece de fontes]}. Acredita-se^{[carece de fontes]} que esse processo de gera??o e aniquila??o realmente ocorreu para quase toda a matéria criada durante o início da expans?o do universo, mas o simples fato de existirmos indica que ao menos uma pequena fra??o de matéria escapou a esse extermínio precoce^{[carece de fontes]}.

é possível que algum processo, de origem desconhecida, tenha provocado uma separa??o entre a matéria e a antimatéria. Neste caso existiriam regi?es do universo em que a antimatéria e n?o a matéria seria mais abundante^{[carece de fontes]}. Planejam-se algumas experiências no espa?o para procurar essas regi?es. No entanto, como até hoje n?o se conhece um processo capaz de gerar tal separa??o^{[carece de fontes]}, a maioria dos cientistas n?o acredita nessa hipótese^{[carece de fontes]}.

Por outro lado, existe a possibilidade de que a natureza trate de forma ligeiramente diferente a matéria e a antimatéria. Se isto for verdade, seria possível que uma pequena fra??o da matéria inicialmente gerada tenha sobrevivido e formado o universo conhecido hoje. Há resultados experimentais e teóricos que apontam nesta dire??o.^{[carece de fontes]}

Experimentos

Experimentos para a produ??o artificial de antimatéria e seu armazenamento por períodos relativamente longos de tempo vem sendo tentados por cientistas nos últimos anos.

Em setembro de 2010, a equipe internacional ALPHA do CERN (a qual inclui pesquisadores de diversos países, incluindo os brasileiros Cláudio Lenz Cesar e Daniel de Miranda Silveira) anunciou que conseguiu pela primeira vez capturar átomos de antimatéria. Foram aprisionados 38 átomos de anti-hidrogênio no "tanque de antimatéria" criado pelos cientistas, cada um deles ficando retido por mais de um décimo de segundo.

Em junho de 2011, a mesma equipe ALPHA anunciou um novo recorde, ao aprisionar átomos de antimatéria por 1000 segundos (mais de 16 minutos e 35 segundos).

Em mar?o de 2012, a equipe ALPHA anunciou que conseguiu pela primeira vez efetuar medi??es de propriedades de átomos de antimatéria.

Em dezembro de 2016, a equipe ALPHA, contando com a participa??o de pesquisadores brasileiros, publicou na revista Nature o resultado do primeiro experimento em que conseguiram fazer átomos de anti-hidrogênio interagir com raios laser, podendo fazer pela primeira vez a espectroscopia da antimatéria, e chegando a conclus?o de que o espectro da antimatéria n?o é diferente do espectro da matéria convencional.

Produ??o natural

Ver artigo principal: Emiss?o de pósitrons

Os pósitrons s?o produzidos naturalmente na decomposi??o β⁺  de isótopos radioativos de ocorrência natural (por exemplo, potássio-40) e nas intera??es dos fótons gama (emitidos pelos núcleos radioativos) com a matéria. Antineutrinos s?o outro tipo de antipartícula criada pela radioatividade natural (decaimento β^?). Muitos tipos diferentes de antipartículas também s?o produzidos por (e contidos em) raios cósmicos. Em janeiro de 2011, a pesquisa feita pela Sociedade Astron?mica Americana descobriu a antimatéria (pósitrons) originado acima das nuvens de tempestade; os pósitrons s?o produzidos em flashes de raios gama criados por elétrons acelerados por campos elétricos fortes nas nuvens. Antiprótons também foram encontrados no Van Allen Belts em torno da Terra pelo módulo PAMELA.

As antipartículas também s?o produzidas em qualquer ambiente com uma temperatura suficientemente alta (energia de partícula média maior do que o limiar de produ??o de pares). Durante o período da bariogénese, quando o universo era extremamente quente e denso, a matéria e a antimatéria eram continuamente produzidas e aniquiladas. A presen?a de matéria remanescente e a ausência de antimatéria detectável restante , também chamada assimetria de bárion, é atribuída a CP-viola??o: uma viola??o da simetria CP relacionando matéria a antimatéria. O mecanismo exato dessa viola??o durante a bariogénese permanece um mistério.

Observa??es recentes indicam que buracos negros e estrelas de nêutrons produzem vastas quantidades de plasma de elétrons pósitrons através dos jatos. Um processo possível é: próton → pósitron + 938 MeV.

Usos

Medicina

As rea??es matéria-antimatéria têm aplica??es práticas na área de imagens médicas, como a tomografia por emiss?o de pósitrons (PET). Na desintegra??o beta positiva, um nuclídeo perde o excesso de carga positiva ao emitir um pósitron (no mesmo caso, um próton se torna um nêutron e um neutrino também é emitido). Nuclídeos com excesso de carga positiva s?o facilmente feitos em um ciclotron e s?o amplamente gerados para uso médico. Antiprótons também foram mostrados dentro de experimentos de laboratório como tendo o potencial para tratar certos tipos de cancer, em um método semelhante atualmente usado para a terapia de íons (prótons).

Combustível

A antimatéria isolada e armazenada poderia ser usada como combustível para viagens interplanetárias ou interestelares como parte de uma propuls?o de pulso nuclear catalisada por antimatéria ou outros foguetes de antimatéria, como o foguete de Redshift. Uma vez que a densidade de energia da antimatéria é maior do que a dos combustíveis convencionais, uma nave espacial alimentada com antimatéria teria uma rela??o impulso-peso maior do que uma espa?onave convencional.

Se as colis?es matéria-antimatéria resultassem apenas na emiss?o de fótons, toda a massa restante das partículas seria convertida em energia cinética. A energia por unidade de massa (9×10¹⁶ J/kg) é cerca de 10 ordens de magnitude maior do que as energias químicas, e cerca de 3 ordens de magnitude maior que a energia potencial nuclear que pode ser liberada, hoje, usando a fiss?o nuclear (cerca de 200 MeV por rea??o de fiss?o ou 8×10¹³ J/kg) e cerca de 2 ordens de magnitude superiores aos melhores resultados possíveis esperados da fus?o (cerca de 6.3×10¹⁴ J/kg para a cadeia próton-próton). A rea??o de 1 kg de antimatéria com 1 kg de matéria produziria  1.8×10¹⁷ J (180 petajoules) de energia (pela fórmula de equivalência massa-energia, E = mc²), ou o equivalente bruto de 43 megatons de TNT - um pouco menor do que o rendimento da bomba Tsar de 27.000 kg, a maior arma termonuclear jamais detonada.

Nem toda essa energia pode ser utilizada por qualquer tecnologia de propuls?o realista por causa da natureza dos produtos de aniquila??o. Embora as rea??es de elétron-pósitron resultem em fótons de raios gama, estes s?o difíceis de direcionar e usar para empuxo. Nas rea??es entre prótons e antiprótons, sua energia é convertida em pions relativistas neutros e carregados. Os pions neutros decaem quase imediatamente (com uma meia-vida de 84 attosegundos) em fótons de alta energia, mas os píons carregados decaem mais lentamente (com uma meia-vida de 26 nanossegundos) e podem ser desviados magneticamente para produzir empuxo.

Note que os píons carregados acabam por decompor-se numa combina??o de neutrinos (que transportam cerca de 22% da energia dos píons carregados) e mu?o carregados instáveis (transportando cerca de 78% da energia píon carregada), com os mu?es ent?o decadentes em uma combina??o de elétrons, pósitrons e neutrinos, os neutrinos deste decaimento carregam cerca de 2/3 da energia dos mu?es, o que significa que a partir dos picos originais carregados, a fra??o total de sua energia convertida em neutrinos por uma ou outra rota é cerca de 0.22 + (2/3)?0.78 = 0.74).

Armas

Ver artigo principal: Arma de antimatéria

A antimatéria tem sido considerada como um mecanismo desencadeador de armas nucleares. Um grande obstáculo é a dificuldade de produzir antimatéria em quantidades suficientemente grandes, e n?o há evidência de que seja possível. No entanto, a For?a Aérea dos EUA financiou estudos sobre a física da antimatéria na Guerra Fria e come?ou a considerar seu possível uso em armas, n?o apenas como um gatilho, mas como o próprio explosivo.

Ver também

• Ambiplasma
• Desacelerador de antiprot?es
• Partícula elementar
• Partículas subat?micas
• Torpedo fot?nico - arma fictícia (do universo Star Trek) que contém antimatéria.

Bibliografia

• Antimatter: the ultimate mirror. Gordon Fraser, Cambridge University Press, 2000. ISBN 0521652529

Liga??es externas

• Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) — Centro de investiga??o de antimatéria (entre outras).
• Laboratório Europeu de Física de Partículas (CERN) — Centro internacional de investiga??o de física de partículas.