O maior acelerador de partículas observa um desequilíbrio passageiro entre matéria e antimatéria.

O maior acelerador de partículas da Terra, o Grande Colisor de Hádrons ( LHC ), na Suíça, observou pela primeira vez uma assimetria entre matéria e antimatéria que é fundamental para a existência do universo e pode revelar fenômenos além da física conhecida.

O experimento LHCb observou esse desequilíbrio nos bárions, partículas compostas por três quarks, como nêutrons e prótons, que formam os núcleos dos átomos. Seres vivos, planetas, estrelas e galáxias são feitos desse tipo de matéria, que representa 5% do universo. Essa descoberta é crucial para testar a exatidão das teorias físicas atuais e pode abrir caminho para a compreensão dos 95% restantes do cosmos.

O experimento LHCb estuda o decaimento de partículas elementares produzidas após a colisão de prótons viajando quase à velocidade da luz dentro do LHC. Apesar do poder incomparável deste acelerador, foram necessários dados acumulados desde 2011 — cerca de 80.000 decaimentos de bárions — para observar pela primeira vez um ligeiro desequilíbrio em favor da matéria. A assimetria observada é em média de 2,45%, mas ocasionalmente excede 5%. Os resultados deste experimento, do qual participam 1.600 cientistas de 22 países, foram publicados hoje na revista. Natureza , referência da melhor ciência do mundo.

A física galega María Vieites , de 34 anos, é a coordenadora adjunta de física do LHCb. "Nosso universo é feito de matéria, e o Modelo Padrão não explica completamente o porquê", explica ela, referindo-se à teoria atual que descreve a física de partículas. O problema é que essa estrutura não descreve a matéria escura , que compõe aproximadamente 27% do universo, nem a energia escura, que representa 68% .

“Precisamos de novas fontes de desequilíbrio entre matéria e antimatéria, e com este estudo observamos essas diferenças em uma nova área, precisamente no tipo de matéria convencional, mais semelhante à que compõe os núcleos atômicos”, destaca esta pesquisadora do Instituto Galego de Física de Altas Energias . “Esses resultados exigiram muito trabalho, porque estamos falando de processos muito, muito raros”, acrescenta. Os colaboradores do LHCb analisaram trilhões de colisões entre prótons e isolaram os decaimentos de bárions lambda b, que são as partículas promissoras para essas medições, explica Vieites. “Por enquanto, os dados provavelmente são compatíveis com o Modelo Padrão”, reconhece a cientista, “mas, em última análise, sabemos que ele é incompleto e deve falhar em algum momento”.

Os físicos de partículas gostam de acreditar que a natureza respeita a simetria, mas, se assim fosse, o universo não existiria. A teoria do Big Bang sustenta que o universo surgiu há 13,7 bilhões de anos com quantidades idênticas de matéria e antimatéria. Essas partículas são simétricas, como um objeto real e sua imagem no espelho, mas com cargas opostas, de modo que deveriam ter se desintegrado em uma enorme explosão de luz. No entanto, o cosmos atual é composto quase inteiramente de matéria bariônica, a substância da qual os átomos são feitos, e quase nenhuma antimatéria.

A primeira evidência direta de assimetria foi observada em 1964 — no auge da Guerra Fria — no que era então o maior acelerador de partículas do mundo, o Laboratório Nacional de Brookhaven, nos Estados Unidos. A instalação havia sido construída para investigar a física de partículas após o imenso investimento no Projeto Manhattan , que culminou no bombardeio nuclear de Hiroshima e Nagasaki. Naquela ocasião, a discrepância foi detectada em um tipo de partícula conhecido como méson, composto por um quark e um antiquark.

Três anos depois, o físico russo Andrei Sakharov , que desenvolveu as bombas atômicas mais poderosas já detonadas na Terra para a União Soviética — e mais tarde ganhou o Prêmio Nobel da Paz por alertar sobre o terrível potencial de tais armas — desenvolveu uma teoria fundamental. Ele sustentou que era a assimetria dos bárions a responsável por gerar um universo cheio de matéria. Sua proposta implicava que, frações de segundo após o Big Bang, um fenômeno conhecido como violação da simetria de paridade de carga ocorreu entre matéria e antimatéria. Para cada bilhão de partículas de antimatéria, haveria um bilhão e uma partículas de matéria. Desse pequeno desequilíbrio, todo o universo observável teria emergido, com a matéria dominando seu oposto. Desde que Sakharov fez essa previsão há quase 60 anos, ela nunca foi confirmada.

"Esta é a primeira vez que este fenômeno foi observado nestas partículas e, portanto, é importante", argumenta o físico teórico Juan Antonio Aguilar . "Teoricamente, é possível que o que observamos seja uma nova física [fenômenos além do Modelo Padrão], mas, por enquanto, não pode ser comprovado porque os cálculos são muito complexos", acrescenta o pesquisador do Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC) de Madri.

A discrepância entre matéria e antimatéria prevista pelo Modelo Padrão é muito menor do que a observada no universo. Isso implica que deve haver mais fontes de assimetria. Um possível mecanismo é a existência de partículas desconhecidas que aumentam a predominância da matéria sobre a antimatéria. Entre essas partículas poderia estar a matéria escura. O movimento de estrelas e galáxias no universo demonstrou inequivocamente a existência dessa substância por meio de sua atração gravitacional. No entanto, as partículas que a compõem nunca foram produzidas, possivelmente devido à sua fraca interação com a matéria convencional. Caçar a matéria escura é o principal objetivo do LHC , que em breve iniciará uma fase de redesenho para aumentar o número de colisões de prótons, o que poderia finalmente levar à descoberta de partículas desconhecidas.