Jato de antimatria permitir estudar eventos csmicos em laboratrio

Espao

Com informações do HZDR – 27/07/2021

Jatos de antimatria

Corpos celestes com condies extremas – estrelas de nutrons e buracos negros, por exemplo – h muito cativam a imaginao dos cientistas e do pblico, que ficam teorizando ou imaginando como a fsica funciona por l.

Por exemplo, as estrelas de nutrons que giram muito rapidamente geram campos magnticos descomunais, enquanto os buracos negros tm uma enorme atrao gravitacional, que acabam emitindo jatos de altssima energia rumo ao espao quando interagem com a matria que os alcana.

Agora, uma equipe internacional de fsicos est propondo um novo conceito no menos cativante para estudar em laboratrio alguns desses processos e ambientes extremos, nos quais um ser humano sequer poderia existir.

A ideia usar a luz – feixes de laser de alta intensidade – para criar jatos de antimatria aqui mesmo na Terra.

“A criao de eltrons e psitrons apenas a partir da luz uma previso bsica da eletrodinmica quntica, mas algo que ainda est por ser observado. Nossas simulaes mostram que as condies necessrias so alcanveis usando uma instalao de laser de dois feixes de alta intensidade e um alvo com um projeto avanado,” escreveu a equipe, liderada por Yutong He, do Centro Helmholtz, na Alemanha.

Criao de matria a partir da luz

A base do novo conceito um minsculo bloco de plstico, entrecruzado por canais muito finos, com dimetros na faixa dos micrmetros. esse pedao de plstico que ir servir como um alvo para os dois lasers. Ambos devem disparar simultaneamente pulsos ultra-fortes sobre o bloco, um da direita e outro da esquerda – o bloco de plstico literalmente capturado por uma pina de laser.

“Quando os pulsos de laser penetram na amostra, cada um deles acelera uma nuvem de eltrons [at velocidades] extremamente rpidas,” explicou o professor Toma Toncian. “Essas duas nuvens de eltrons ento correm uma em direo outra com fora total, interagindo com o laser que se propaga na direo oposta.”

A coliso to violenta que produz um nmero extremamente grande de radiao gama – partculas de luz (ou quanta) com uma energia ainda maior do que a dos raios X.

O enxame de ftons gama to denso que as partculas de luz inevitavelmente colidem umas com as outras. E ento algo maluco acontece: De acordo com a famosa frmula E = mc² de Einstein, a energia da luz pode se transformar em matria – e em antimatria.

Neste caso, devem ser criados principalmente pares eltron-psitron – os psitrons so as antipartculas dos eltrons.

Produo e acelerao de psitrons em um alvo de plasma estruturado.
[Imagem: Yutong He et al. – 10.1038/s42005-021-00636-x]

Feixe de antimatria

Segundo o professor Alexey Arefiev, da Universidade da Califrnia em San Diego, outro coautor da proposta, o que torna esse processo especial que “campos magnticos muito fortes o acompanham. Esses campos magnticos podem concentrar os psitrons em um feixe e aceler-los fortemente.”

Est gerado ento o feixe de psitrons, um feixe de antimatria.

A uma distncia de apenas 50 micrmetros, as partculas devem atingir uma energia de 1 GeV (gigaeletronvolt), algo que hoje exige um acelerador de partculas enorme.

Para ver se a ideia funcionaria, a equipe testou tudo em uma elaborada simulao de computador. Os resultados so encorajadores: Em princpio, o conceito deve ser vivel. “Fiquei surpreso que os psitrons que foram criados acabaram formando um feixe coeso de alta energia na simulao,” diz Arefiev.

Alm do mais, o novo mtodo deve ser muito mais eficiente do que ideias anteriores desse tipo, em que apenas um nico pulso de laser disparado em um alvo individual: De acordo com a simulao, o “ataque duplo do laser” deve ser capaz de gerar at 100.000 vezes mais psitrons do que o conceito de disparo nico.

“Alm disso, em nosso caso, os lasers no precisariam ser to potentes quanto em outros conceitos,” explicou Toncian. “Isso provavelmente tornaria a ideia mais fcil de colocar em prtica.”

A ideia fazer os primeiros testes na estao HED (Alta Densidade de Energia) no laboratrio XFEL.
[Imagem: European XFEL / Jan Hosan]

Astrofsica e fsica nuclear

Para a astrofsica, bem como para a fsica nuclear, a nova tcnica pode ser extremamente til. Afinal, alguns processos extremos no espao tambm podem produzir grandes quantidades de quanta gama, que ento se materializam rapidamente em pares de alta energia.

” provvel que tais processos ocorram, entre outros, na magnetosfera dos pulsares, ou seja, de estrelas de nutrons em rotao rpida,” disse Arefiev. “Com nosso novo conceito, tais fenmenos poderiam ser simulados em laboratrio, pelo menos at certo ponto, o que nos permitiria entend-los melhor.”

Passar da simulao para a prtica, contudo, pode no ser to rpido, j que existem poucos lugares no mundo onde o mtodo pode ser implementado.

O mais adequado seria uma instalao de laser nica no mundo, localizada na Romnia, chamada ELI-NP (Infraestrutura de Luz Extrema – Fsica Nuclear). Amplamente financiado pela Unio Europeia, o laboratrio possui dois lasers ultra-poderosos que podem disparar simultaneamente em um alvo – o requisito bsico para o novo mtodo.

Como o ELI-NP tem sua prpria agenda, a equipe pretende comear a fazer os primeiros testes bsicos na Alemanha mesmo, no XFEL (Instalao Europeia de Laser de Eltrons Livres de Raios X), que atualmente o mais potente laser de raios X do mundo, mas no conseguir fazer os disparos simultneos.

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