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Antimatéria: história e curiosidades

Assim como o nome sugere, a antimatéria é o inverso da matéria. Mas o que isso quer dizer?

Assim como o nome sugere, a antimatéria é o inverso da matéria. Cada partícula elementar que conhecemos possui uma partícula oposta que apresenta exatamente as mesmas características, exceto a carga elétrica, que é inversa. O pósitron, por exemplo, é a antimatéria do elétron, portanto, possui a mesma massa, mesma rotação, mesmo tamanho, mas carga elétrica de sinal oposto.

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Matéria e antimatéria, constituídas de antipartículas.

Tudo o que se sabe sobre essas antipartículas vem de experiências realizadas em aceleradores de partículas, que apresentam antipartículas como produto. Dentro desses imensos laboratórios, a dificuldade de produzir e analisar a antimatéria está no fato de que, no encontro da matéria com a antimatéria, sempre ocorre aniquilação, ou seja, uma destrói a outra, gerando uma grande quantidade de energia.

 

Descoberta

A história da antimatéria começa em 1928, quando o físico britânico Paul Andrien M. Dirac revisou a equação da equivalência entre massa e energia proposta por Einstein e propôs que as partículas podem ter valores negativos de energia. Ou seja: que um elétron poderia emitir radiação infinitamente, ficando cada vez com energias mais negativas, o que não é aceitável do ponto de vista físico. 

Para consertar esta inconsistência do seu modelo, Dirac argumenta que todos os estados relacionados a energias negativas estão ocupados, assim uma partícula não poderia ir para um estado de energia negativa, isto ficou conhecido como Mar de Dirac. Uma consequência do mar de Dirac é que o consideramos como vácuo não é vazio, existe uma infinidade de partículas nos estados de energia negativa.

Logo, para Dirac, uma antipartícula nada mais é do que um espaço vago no Mar de Dirac, assim um elétron pode perder energia emitindo radiação e indo pro estado quântico vago descrito pelo antielétron. Um observador veria um elétron colidindo com um antielétron, depois da colisão ambos desapareceriam e a energia seria emitida na forma de radiação.

Em 1932,  um ano após a previsão de Dirac, Carl Anderson detectou a presença de elétrons positivos durante um experimento com raios cósmicos. O antielétron detectado foi chamado de pósitron e tem as mesmas características do elétron, mas apresenta carga elétrica de sinal positivo. Em 1955, cientistas criaram o antipróton por meio de um acelerador de partículas. Desde então, os estudos relacionados com antimatéria vêm revelando antipartículas de nêutrons, quarks, léptons etc.

 

Como produzir antimatéria?

A antimatéria existe de maneira natural, porém em pequeníssimas quantidades. É o caso da banana, por exemplo, que emite um pósitron a cada 75 minutos, pois possui em sua composição química um isótopo radioativo de potássio (40K) que sofre decaimento β+, mas como o nosso universo é feito predominantemente de matéria, rapidamente este pósitron encontra um elétron e eles se aniquilam, sobrando somente radiação.

Hoje os cientistas são capazes de produzir antimatéria nos aceleradores de partículas, como o famoso LHC. Nessas máquinas de incrível complexidade, feixes de partículas e/ou antipartículas são lançados em anéis circulares ou retilíneos e são colididos com outros feixes. Essas colisões, quando feitas com energia suficiente, recriam as condições do universo no Big Bang. 

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LHC: o maior acelerador de partículas do mundo.

Ao acelerar átomos a altíssimas velocidades com um acelerador de partículas, elas podem ser colididas com um determinado alvo. As antipartículas resultam dessa colisão e são separadas pela ação de campos magnéticos. Em média, a cada 10.000 colisões de prótons é gerado um antipróton, é isto que torna a produção de antimatéria tão cara.

 

Antimatéria como fonte de energia

Ao pensar nas possíveis aplicações que podem surgir da pesquisa em antimatéria, podemos citá-la como uma fonte de energia compacta.

Já falamos que ao encontrar matéria, a antimatéria é aniquilada. Nesta aniquilação é liberada uma grande quantidade de energia. Quanta energia? Essa reação é o único processo que converte 100% da massa de uma partícula em energia, lembrando da famosa equação de Einstein, E=mc², tem muita energia armazenada na massa das partículas que normalmente não pode ser acessada.

A aniquilação de um grama de antimatéria com um grama de matéria resultaria na liberação de 50 GWh de energia, o suficiente para manter uma lâmpada de 100 W acesa por mais de 57 mil anos!

Essa energia pode ter uma aplicação valiosa para exploração espacial, pois uma boa parte do problema que temos ao lançar um foguete ao espaço é o combustível necessário para sair da atmosfera da Terra. Para isso acontecer ainda é preciso melhorar a eficiência da produção de antimatéria, baratear o processo, desenvolver novas tecnologias de armazenamento e aprender a controlar o uso desta energia, caso contrário teríamos apenas uma bomba poderosíssima! :O

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Conheça os tipos de aceleradores de partículas e o que eles fazem

Falamos aqui sobre o Projeto Sirius, um dos mais sofisticados aceleradores Síncrotron do planeta que está sendo construído em Campinas/SP….

Falamos aqui sobre o Projeto Sirius, um dos mais sofisticados aceleradores Síncrotron do planeta que está sendo construído em Campinas/SP. Mas hoje, vamos falar sobre os outros tipos de aceleradores de partículas. Afinal, o que eles fazem e qual a finalidade do seu uso por pesquisadores científicos?

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Simulação: Projeto Sirius

Apesar do conceito de “acelerar partículas” existir há muito tempo e de certo modo ser comum para pesquisadores, para a população em geral isso não passa de um mistério. Por isso, resolvemos falar um pouco mais sobre essa grande revolução no mundo da ciência.

Aceleradores de partículas
Eles são laboratórios gigantes. Por fora, parecem grandes túneis, que podem ser retos ou em forma de anel e ter vários quilômetros de extensão. Dentro deles, as partículas que compõem os átomos – como prótons e elétrons – são aceleradas a velocidades próximas à da luz para que elas possam bombardear núcleos atômicos estáveis.

A utilização desse tipo de equipamento é muito importante, afinal de contas, somente com ele é possível quebrar partículas incrivelmente densas e milhões de vezes menores que o átomo.

Existem diversos tipos de aceleradores de partículas, como: Aceleradores de elétrons (o Sirius e o Max IV), Colisores de Partículas (como o CERN) e os Aceleradores de Prótons (como o PSI e o ESS).

Aceleradores de Elétrons
Quando elétrons são acelerados até velocidades próximas a da luz e têm a sua trajetória desviada por um campo magnético, eles emitem uma luz com alto brilho que penetra a matéria e revela a estrutura atômica de materiais.

Atualmente, há um acelerador de elétrons instalado no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas/SP. Ele já serviu como base para milhares de pesquisas em áreas como medicina, biologia, química, física e ciências de materiais.

Colisores de Partículas
A Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, conhecida como CERN é o maior laboratório de física de partículas do mundo, localizado em Meyrin, na fronteira Franco-Suíça e o LHC também é um dos maiores.

Ele consiste em um amplo túnel circular, com uma circunferência de 27km, enterrado sob uma camada média de 100 metros de terra e rochas. O termo colisor diz respeito ao fato do aparato ser usado para acelerar prótons em direções opostas, para colidirem e mostrarem quais partículas resultam do processo.

Fonte da imagem: Reprodução/Neatorama

Fonte da imagem: Reprodução/Neatorama

Aceleradores de Prótons

Existe um laboratório de acelerador de prótons no ESS (European Spallation Source), e o PSI (Paul Scherrer Institut) que possui um Centro de Terapia de Prótons.

É interessante como este tipo de tecnologia promove o conhecimento em outras áreas. Os aceleradores de prótons são muito úteis para tratamentos de câncer. Muitos dos componentes utilizados em aceleradores de partículas também são aplicados em equipamentos de tomografia, em menor quantidade, tamanho e precisão do que em um acelerador de partículas, mas com construção e princípio de funcionamento muito próximos.

Ou seja, existem muitos profissionais e cientistas em laboratórios gigantescos de aceleradores de partículas pelo mundo que estão pesquisando e descobrindo coisas sobre a nossa saúde, sobre a nossa existência e sobre a matéria. O que é essencial para nossa constante evolução e para o descobrimento de curas para doenças, por exemplo.

Se você quiser saber mais sobre o projeto Sirius, laboratório de aceleradores de elétrons de Campinas, acesse aqui.

Fonte: Mundo Educação, Mundo Estranho e Neatorama

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Brasil constrói um dos mais sofisticados aceleradores Síncrotron do planeta

O avanço da tecnologia depende do desenvolvimento de ferramentas cada vez melhores para enxergarmos aquilo que os nossos olhos não…

O avanço da tecnologia depende do desenvolvimento de ferramentas cada vez melhores para enxergarmos aquilo que os nossos olhos não veem. Cada vez que damos um passo em direção a ferramentas melhores, a ciência ganha novas informações e descobre novos detalhes sobre a composição dos seres e das coisas, em nível atômico.

Primeiro os cientistas criaram o microscópio, depois o microscópio com duas lentes, na sequência o microscópio eletrônico. E o grande salto nessa evolução foi a criação da Luz Síncrotron, que permite identificar os átomos e as moléculas que compõem cada material. Revolução no mundo da ciência.

Luz Síncroton

Em um acelerador de partículas, quando elétrons são acelerados até velocidades próximas a da luz e têm a sua trajetória desviada por um campo magnético, eles emitem uma luz com alto brilho que penetra a matéria e revela a estrutura atômica de materiais. Essa é a Luz Síncrotron.

Para você entender melhor, o Engenheiro Eletricista da WEG, com Especialização em Máquinas Elétricas Girantes e Gestão de Projetos, Eduardo Constantino Ramos, fez uma comparação bem simples: uma lanterna X um laser point. A diferença é que na lanterna a divergência da luz é maior, distribuindo a luz em mais direções, mas com alcance relativamente pequeno. Já um laser point, a luz é concentrada em uma única direção, permitindo maior alcance, mesmo que possua uma potência mais baixa que a lanterna.

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Luz Síncrotron no Brasil

Atualmente, há um acelerador de elétrons que funciona como fonte de luz síncrotron instalada no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), vinculado ao Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais, em Campinas/SP. Essa fonte é considerada de segunda geração, mas é a única fonte de Luz Síncrotron aberta ao uso da comunidade acadêmica e industrial na América Latina.

Entenda melhor nesse episódio do programa Brasil Ciência  na Discovery Brasil

Conheça o LNLS

Nos últimos 20 anos, esse acelerador de partículas do LNLS já serviu como base para milhares de pesquisas. Mas, é necessária uma luz mais brilhante para estudos avançados em áreas como medicina, biologia, química, física e ciências de materiais.

Nesse sentido, de olhar para o futuro da ciência e ampliar os estudo e conhecimento sobre átomos e moléculas é que foi criado o projeto Sirius, que será uma das mais sofisticadas fontes de luz síncrotron do planeta.

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Obra do Projeto Sirius em andamento

Projeto Sirius

O Sirius, que tem previsão para ser inaugurado ainda em 2018, será um superlaboratório de 68 mil m² em um terreno de 150 mil m² junto ao campus do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). A área total equivale a 21 campos de futebol.

A ideia é criar uma fonte de luz síncrotron de quarta geração, colocando o Brasil na liderança mundial de produção deste tipo de radiação eletromagnética. Esse novo laboratório abrirá novas perspectivas de pesquisa em áreas como ciência dos materiais, nanotecnologia, biotecnologia, física, ciências ambientais e muitas outras.

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Simulação do túnel dos aceleradores com os imãs em azul, verde e amarelo.

 

O projeto ganhou o nome de Sirius em referência à estrela de maior brilho no céu durante à noite, localizada na constelação do Cão Maior. A designação do nome Sirius em referência à estrela é justificada porque o Sirius foi concebido para entregar a luz sincrotron mais brilhante entre os aceleradores existentes ao redor do planeta na mesma classe de energia, podendo suportar até 40 pesquisas simultâneas.

Segundo Eduardo Ramos, foi adotado como premissa pelo LNLS, entidade responsável pela coordenação deste projeto, a preferência pelo desenvolvimento das demandas com indústrias nacionais, através de parcerias de cooperação para desenvolvimento tecnológico. Com a WEG, a parceria iniciada em 2012 foi uma das primeiras e mais importantes para a construção do Sirius.

WEG na Ciência

Para criar o campo magnético que guia a trajetória dos elétrons, os aceleradores de partículas precisam de eletroímãs (dipolos, quadrupolos, sextupolos e corretoras). Esses eletroímãs são de certa forma o coração do acelerador e têm que ser fabricados em uma qualidade extrema, senão, o acelerador não atinge a performance esperada.

Desde 2013, a WEG participara do desenvolvimento e vem produzindo esse componente fundamental para o Sirius.

Veja um carregamento de ímãs sendo entregue no LNLS

O Engenheiro Eletricista Eduardo Ramos explicou que existem outros aceleradores de partículas no mundo, e cada um possui um design e quantidade de eletroímãs específico, de acordo com a ótica projetada e/ou experimentos planejados. Por isso, os eletroímãs do Sirius foram desenvolvidos pelo LNLS em parceria com a WEG especialmente para a ótica do Sirius e com as melhores características magnéticas já desenvolvidos ao redor do mundo.

Ou seja, a WEG surpreende mais uma vez! Encarou o desafio de produzir eletroímãs para um acelerador de partículas, mesmo não fazendo parte do escopo de produtos da empresa. Novamente os profissionais da WEG mostram sua competência e capacidade de ampliar horizontes.

Viva a Ciência e Tecnologia!

 

Texto validado pelo LNLS – Laboratório Nacional de Luz Síncrotron e CNPEM – Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais