Moléculas de matéria-antimatéria

O positrônio é o único átomo já criado em laboratório contendo tanto matéria, quanto antimatéria. Ele é composto de apenas um elétron e um pósitron (anti-elétron) ligados um ao outro sem um núcleo. Agora, em um gás denso mas de vida curta de tais átomos, pesquisadores observaram interações entre eles – e podem ter produzido as primeiras moléculas de positrônio, cada uma composta por dois átomos. Anunciados na Physical Review Letters de novembro, os experimentos representam mais um passo na direção de criar novos tipos de “matéria artificial”, cujas propriedades os físicos estão ansiosos para estudar, e que poderiam levar finalmente ao laser de raios gama.
O positrônio é o mais simples de uma série de formas mais complexas de matéria que os físicos esperam construir colocando elétrons e pósitrons juntos. Como os pesquisadores já fizeram átomos de positrônio, o próximo passo seria fazer esses átomos interagir por colisões, e conseqüentemente formar moléculas. Enquanto sempre há colisões ocasionais em um gás de positrônio, não houve sucesso em fazê-lo denso o suficiente para aumentar a freqüência das colisões – o suficiente para afetar as propriedades do gás.
Mas uma equipe de físicos liderada por Allen Mills, da Universidade da Califórnia, em Riverside, pode ter feito justamente isso. Eles coletaram e comprimiram pósitrons em uma armadilha magnética e então dispararam pulsos super-intensos de pósitrons em um filme fino de sílica “nanoporosa”, um material perfurado, cheio de poros microscópicos. Os pósitrons que atingiam o filme liberavam elétrons e podiam ligar-se a eles formando átomos de positrônio. Esses átomos vivem por um breve instante, uma minúscula nuvem de gás aprisionada dentro dos poros do material, até que os elétrons e pósitrons invitavelmente aniquilem um ao outro em uma explosão de raios gama. Mills e seus colegas detectaram esses raios gama para medir a taxa de aniquilação, ou “decaimento”, e explorar a física por trás. Observando o decaimento
Depois de observar o gás de positrônio de baixa densidade, a equipe usou pulsos comprimidos para produzir o gás de alta densidade, cujos átomos são mais propensos a colidir uns com os outros. Eles calcularam que mais colisões deveriam levar a uma taxa de decaimento maior. Isso porque os átomos de positrônio são criados tanto em um estado de “spin 0”, que decai rapidamente, quanto no estado de “spin 1” que dura mais (centenas de nanosegundos), dependendo em parte do alinhamento inicial dos spins do elétron e do pósitrons (veja box). As colisões entre átomos de spin 1 podem transformá-los no estado de decaimento mais rápido.
Mills e seus colegas encontraram uma alta taxa de decaimento nos pulsos mais densos – uma evidência clara, eles dizem, de colisões freqüentes entre positrônios, um passo importante para fazer moléculas. Eles ficaram surpresos, entretanto, que a taxa de decaimento era quatro vezes mais alta do que o esperado, baseado no entendimento mais simples das colisões. A taxa extra alta poderia ser resultado da concentração de átomos de positrônio em rachaduras e outras imperfeições que não foram consideradas nos cálculos assumindo um material nano-poroso perfeito. Os átomos podem achar esses espaços mais largos, e escapar dos nano-poros, cujo espaço limitado tende a aumentar a energia dos átomos. Mas outra possibilidade é que alguns pares de átomos de positrônio foram unidos para formar moléculas. Os experimentos não podem distinguir entre as duas causas, mas Mills pensa que estudos consecutivos, talvez usando outros materiais, poderiam ajudar.Laser de raios gama
O objetivo final de Mills e seus colegas é produzir átomos de positrônio com densidade suficiente para gerar um condensado de Bose-Einstein (CBE), um estado ultrafrio com incríveis propriedades quânticas. Usando o CBE, eles podem um dia construir uma fonte de raios gama que parece ficção científica: um laser feito da aniquilação de elétrons e pósitrons. “É um trabalho importante e excitante”, disse Cliff Surko, da Universidade da Califórnia em San Diego, “ e essa abordagem não vai perder o gás tão cedo.”