O fato de estarmos aqui é um dos maiores quebra-cabeças da física. Somos feitos de partículas normais, como elétrons, mas cada uma dessas partículas também tem um companheiro antimatéria que é praticamente idêntico a si mesmo, mas com a carga oposta. Quando a matéria e a antimatéria entram em contacto, aniquilam-se mutuamente num clarão de luz.
Física sugere que a matéria e a antimatéria foram criadas em quantidades quase iguais no Big Bang. Então como é que quase só resta matéria hoje – porque é que a matéria e a antimatéria não se aniquilaram uma à outra para tornar o universo sem vida? A nossa nova pesquisa permitiu aos cientistas construir um novo tipo de acelerador, baseado em partículas chamadas muões, que nos poderia ajudar a descobrir.
Um muão é quase idêntico a um electrão, excepto que é 207 vezes mais pesado. Além disso, ele se decompõe em outras partículas em dois milionésimos de segundo. Esta vida útil, embora curta para nós, é bastante longa para uma partícula fundamental instável, e isso explica porque os múons compõem quase todos os raios cósmicos carregados que chegam à superfície da Terra.
Muita da nossa capacidade de investigar a estrutura da matéria nas distâncias mais curtas depende da criação de feixes de partículas e aceleram-nas para altas energias. Contudo existem apenas quatro partículas estáveis que podem ser utilizadas desta forma, o electrão e a sua antipartícula (positron), e o próton e a sua antipartícula (antiproton).
Feixes de partículas constituídos por aqueles que têm sido utilizados durante muitos anos, no entanto ambos os pares têm desvantagens. O elétron e seu parceiro são muito leves – quando tentamos acelerá-los, eles irradiam energia eletromagnética. Isto pode ser útil para aplicações como a TV, mas torna difícil atingir o tipo de energias de que precisamos para melhorar a nossa compreensão do universo.
Elétrons não semelhantes, o próton e o anti-proton são compostos por partículas mais fundamentais – quarks e gluons. Numa colisão entre um próton e um anti-proton são estas partículas fundamentais que realmente colidem, resultando numa queda de energia inferior à que se teria obtido se os prótons tivessem sido partículas verdadeiramente fundamentais.
Os muões são suficientemente pesados para irradiarem muito menos energia, mas fundamentais (não compostos de partículas menores) para que toda a sua energia esteja disponível para a investigação. Quando os cientistas criaram a partícula vencedora do Prêmio Nobel Higgs com prótons, eles precisavam de uma máquina com 10km de diâmetro: o Grande Colisor de Hadron. Uma máquina muon, no entanto, poderia conseguir isso com uma circunferência de apenas 200 metros.
A desvantagem dos muons é que, ao contrário dos elétrons e prótons, eles são instáveis e precisam ser produzidos e depois usados rapidamente antes que todos eles se decomponham. Podemos produzir múons pegando um feixe estreito e de alta intensidade de prótons e colocando-os em um alvo feito de um metal, como o titânio. Isto produz um feixe de outra partícula fundamental chamada o pioneiro.
Pions formam um feixe que se desgasta. Se o feixe de prótons original parece um ponteiro laser, o feixe pioneiro parece mais um feixe de tocha – com a intensidade caindo rapidamente com a distância. As piões então se decompõem para produzir os muões, o que significa que o feixe se espalha ainda mais – assemelhando-se a uma lâmpada.
Não podemos acelerar tal feixe numa máquina como o LHC, por isso precisamos de criar um feixe que se espalhe muito menos. Isto é um desafio dado que temos apenas dois milionésimos de segundo para produzir, acelerar e colidir.
Mas a nossa equipa de físicos e engenheiros, de todo o mundo – conhecida como Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) – demonstrou agora que é possível. Usamos um processo conhecido como resfriamento para ajudar a comprimir o feixe. Isto envolve a passagem dos muões através de um recipiente com hidrogénio líquido a -250°C, retardando as partículas. Passamos então por uma cavidade eletromagnética, o que fez com que o feixe acelerasse na direção necessária.
Repetindo isto várias vezes é possível criar um feixe que se espalha muito menos e tem um núcleo denso. Este feixe pode ser injetado em um acelerador de partículas para produzir um feixe de múon de alta energia. Esse feixe pode ser colidido ou deixado a circular até que os múons se decomponham num feixe intenso de neutrinos – muito superior a qualquer feixe de neutrinos que possa ser produzido atualmente.
Probing the universe
De facto, um feixe de neutrinos criado a partir de muões faz parte de uma Fábrica de Neutrinos planeada, o que nos permitiria responder a muitas questões relacionadas com a origem e evolução do universo – tais como o misterioso desequilíbrio entre matéria e antimatéria.
Neutrinos também nos poderiam ajudar a compreender os detalhes de como elementos essenciais à vida, tais como oxigénio, carbono e silício, que são formados em estrelas, se espalham pelo universo. Estes elementos mais pesados não foram produzidos no Big Bang e ainda assim são responsáveis pelo planeta em que vivemos e por toda a vida à nossa volta. Sabemos que explosões de neutrinos, que são libertados em explosões estelares (supernovas), são responsáveis.
Nós também podemos colidir dois feixes de múons da mesma forma que colidimos com os prótons no LHC. Os muons, sendo mais simples que os prótons, permitiriam uma determinação mais precisa das propriedades da partícula Higgs, por exemplo.
As propriedades do muon também o tornam uma ferramenta inestimável no campo da física dos materiais. A capacidade de criar feixes mais concentrados pode melhorar as medições atuais e abrir novos métodos de diagnóstico.
O nosso método também pode ser usado para ajudar a aumentar a intensidade de qualquer outro feixe de partículas carregadas. Tem sido um longo projeto que dura mais de uma dúzia de anos, mas valeu a pena o esforço quando consideramos a poderosa ferramenta que criamos.