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O anti-hidrogênio (
H
) é a contraparte de antimatéria do hidrogênio. Enquanto o átomo de hidrogênio [en] comum é composto de um elétron e um próton, o átomo de anti-hidrogênio é composto de um pósitron e um antipróton. Os cientistas esperam que o estudo do anti-hidrogênio possa esclarecer a questão de por que há mais matéria do que antimatéria no universo observável, conhecido como o problema da assimetria bariônica.[1] O anti-hidrogênio é produzido artificialmente em aceleradores de partículas.
Os aceleradores detectaram o anti-hidrogênio quente pela primeira vez na década de 1990. ATHENA [en] estudou
H
frio em 2002. Ele foi capturado pela equipe do Aparelho de física a laser de anti-hidrogênio (A.L.Ph.A.)[lower-alpha 1] [en] no C.E.R.N.[2][3] em 2010, que então mediu a estrutura e outras propriedades importantes.[4] A.L.Ph.A., A.E.G.i.S. e G.B.A.R. planejam estudar e estudar ainda mais átomos
H
.
Em 2016, o experimento do A.L.Ph.A. [en] mediu a transição atômica de elétrons entre os dois níveis de energia mais baixos do anti-hidrogênio, 1s – 2s. Os resultados, que são idênticos aos do hidrogênio dentro da resolução experimental, apóiam a ideia de simetria matéria-antimatéria e simetria C.P.T..[5]
Na presença de um campo magnético, a transição 1s – 2s divide-se em duas transições hiperfinas com frequências ligeiramente diferentes. A equipe calculou as frequências de transição para o hidrogênio normal sob o campo magnético no volume de confinamento como:
Uma transição de fóton único entre os estados "s" é proibida pelas regras de seleção [en] quântica, portanto, para elevar os pósitrons do estado fundamental ao nível 2s, o espaço de confinamento foi iluminado por um laser sintonizado para metade das frequências de transição calculadas, estimulando a absorção de dois fótons permitida.
Átomos de anti-hidrogênio excitados para o estado 2s podem então evoluir de várias maneiras:
Ambos os resultados de ionização e spin-flip fazem com que o átomo escape do confinamento. A equipe calculou que, assumindo que o anti-hidrogênio se comporta como o hidrogênio normal, cerca de metade dos átomos de anti-hidrogênio seriam perdidos durante a exposição à frequência ressonante, em comparação com o caso sem laser. Com a fonte de laser sintonizada em 200 kHz abaixo da metade das frequências de transição, a perda calculada foi essencialmente a mesma do caso sem laser.
A equipe do A.L.Ph.A. fez lotes de anti-hidrogênio, manteve-os por 600 segundos e depois diminuiu o campo de confinamento por 1,5 segundo enquanto contava quantos átomos de anti-hidrogênio foram aniquilados. Eles fizeram isso em três condições experimentais diferentes:
Os dois controles, fora da ressonância e sem laser, eram necessários para garantir que a própria iluminação do laser não estivesse causando aniquilações, talvez liberando átomos normais da superfície do recipiente de confinamento que poderiam então se combinar com o anti-hidrogênio.
A equipe realizou 11 execuções dos três casos e não encontrou nenhuma diferença significativa entre as de fora da ressonância e as sem laser, mas uma queda de 58% no número de eventos detectados após as execuções com ressonância. Eles também foram capazes de contar eventos de aniquilação durante as execuções e encontraram um nível mais alto durante as execuções com ressonância, novamente sem diferença significativa entre as execuções fora da ressonância e as sem laser. Os resultados estavam de acordo com as previsões baseadas em hidrogênio normal e podem ser "interpretados como um teste de simetria C.P.T. com uma precisão de 200 ppt".[6]
O teorema C.P.T. da física de partículas prevê que os átomos de anti-hidrogênio têm muitas das características do hidrogênio regular; ou seja, a mesma massa, momento magnético e frequências de transição de estado atômica (consulte Espectroscopia atômica [en]).[7] Por exemplo, espera-se que os átomos de anti-hidrogênio excitados brilhem da mesma cor que o hidrogênio comum. Átomos de anti-hidrogênio devem ser atraídos por outra matéria ou antimatéria gravitacionalmente com uma força da mesma magnitude que os átomos de hidrogênio comuns experimentam.[2] Isso não seria verdade se a antimatéria tivesse massa gravitacional negativa, o que é considerado altamente improvável, embora ainda não seja empiricamente refutado (veja Interação gravitacional da antimatéria).[8] Estrutura teórica recente para massa negativa e gravidade repulsiva (antigravidade) entre matéria e antimatéria foi desenvolvida, e a teoria é compatível com o teorema C.P.T.[9]
Quando o anti-hidrogênio entra em contato com a matéria comum, seus constituintes se aniquilam rapidamente. O pósitron se aniquila com um elétron para produzir raios gama. O antipróton, por outro lado, é composto de antiquarks que se combinam com quarks em nêutrons ou prótons, resultando em píons de alta energia, que rapidamente decaem em múons, neutrinos, pósitrons e elétrons. Se os átomos de anti-hidrogênio fossem suspensos em um vácuo perfeito, eles deveriam sobreviver indefinidamente.
Como um anti-elemento, espera-se que tenha exatamente as mesmas propriedades que o hidrogênio.[10] Por exemplo, o anti-hidrogênio seria um gás em condições padrão e se combinaria com o anti-oxigênio para formar anti-água,
H
2
O
.
O primeiro anti-hidrogênio foi produzido em 1995 por uma equipe liderada por Walter Oelert [en] no C.E.R.N.[11] usando um método proposto pela primeira vez por Charles Munger Jr, Stanley Brodsky [en] e Ivan Schmidt Andrade.[12]
No Anel de antiprótons de baixa energia (L.E.A.R.)[lower-alpha 2]{ [en], antiprótons de um acelerador foram disparados contra aglomerados[lower-alpha 3] [en] de xenônio,[13] produzindo pares elétron-pósitron. Antiprótons podem capturar pósitrons com probabilidade de cerca de , então este método não é adequado para produção substancial, conforme calculado. 10−19[14][15][16] O Fermilab mediu uma seção transversal um tanto diferente,[17] de acordo com as previsões da eletrodinâmica quântica.[18] Ambos resultaram em antiátomos altamente energéticos ou quentes, inadequados para estudos detalhados.
Posteriormente, o C.E.R.N. construiu o Desacelerador de antiprótons (A.D.)[lower-alpha 4] [en] para apoiar os esforços em direção ao anti-hidrogênio de baixa energia, para testes de simetrias fundamentais. O A.D. fornecerá vários grupos do C.E.R.N.. O C.E.R.N. espera que suas instalações sejam capazes de produzir 10 milhões de antiprótons por minuto.[19]
Experimentos das colaborações A.Trap. e Athen.A. no C.E.R.N. reuniram pósitrons e antiprótons em armadilhas de Penning, resultando em síntese a uma taxa típica de 100 átomos de anti-hidrogênio por segundo. O anti-hidrogênio foi produzido primeiro pelo Athen.A. (em 2002),[20] depois pela A.Trap.[21] e, em 2004, milhões de átomos de anti-hidrogênio foram produzidos. Os átomos sintetizados tinham uma temperatura relativamente alta (alguns milhares de kelvins) e, como consequência, "batiam" nas paredes do aparato experimental e se aniquilavam. A maioria dos testes de precisão requer longos tempos de observação.
O A.L.Ph.A., um sucessor da colaboração Athen.A., foi formado para capturar de forma estável o anti-hidrogênio.[19] Enquanto eletricamente neutro, seus momentos magnéticos de spin interagem com um campo magnético que não é homogêneo; alguns átomos serão atraídos por um mínimo magnético, criado por uma combinação de espelhos e campos multipolares.[22]
Em novembro de 2010, a colaboração A.L.Ph.A. anunciou que havia capturado 38 átomos de anti-hidrogênio por um sexto de segundo,[23] o primeiro confinamento de antimatéria neutra. Em junho de 2011, eles prenderam 309 átomos de anti-hidrogênio, até 3 simultaneamente, por até 1.000 segundos.[24] Eles então estudaram sua estrutura hiperfina, efeitos de gravidade e carga. O A.L.Ph.A. continuará as medições junto com os experimentos A.Trap., A.E.G.i.S. e G.B.A.R..
Átomos de antimatéria maiores, como o antideutério (
D
), antitrítio (
T
) e anti-hélio (
He
) são muito mais difíceis de produzir. Núcleos de antideutério,[25][26] anti-hélio-3 (3
He
)[27][28] e anti-hélio-4 (4
He
)[29] foram produzidos com velocidades tão altas que a síntese de seus átomos correspondentes apresenta vários obstáculos técnicos.
FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... p and H experiments – FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... experimentos p e H
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