CERN cria o primeiro qubit de antimatéria com antipróton em superposição

Cientistas do CERN conseguiram, pela primeira vez, analisar uma partícula de antimatéria isolada num estado quântico “indeciso”, conhecido como superposição.

O comportamento quântico da matéria comum já foi investigado em detalhe e até virou base para computadores quânticos, na forma de qubits. Neste caso, porém, o avanço vai muito além de aplicações tecnológicas: ele pode ajudar a esclarecer por que o Universo acabou por favorecer a matéria - e, portanto, por que nós existimos.

Antimatéria em superposição: o primeiro qubit de antipróton

A equipa manteve um antipróton - a contraparte de antimatéria do próton - suspenso num conjunto de armadilhas electromagnéticas e, ao mesmo tempo, reduziu a interferência do ambiente, que poderia perturbar o frágil estado quântico da partícula.

Com a propriedade chamada momento angular intrínseco (spin) num “borrão” de indecisão típico da superposição, o antipróton foi colocado a oscilar de forma controlada e teve o seu estado medido ao longo de 50 segundos.

“Isso representa o primeiro qubit de antimatéria”, afirma Stefan Ulmer, físico da colaboração BASE do CERN. “Mais importante ainda, isso ajudará o BASE a realizar medições do momento do antipróton em experiências futuras com uma precisão melhorada de 10 a 100 vezes.”

A assimetria entre matéria e antimatéria e a questão da nossa existência

Essas experiências futuras podem trazer à tona novas diferenças entre matéria e antimatéria. Se isso acontecer, pode-se avançar numa pergunta fundamental: como a matéria escapou de uma “apocalipse” de antimatéria que, de acordo com os modelos actuais da física, deveria ter aniquilado toda a matéria há milhares de milhões de anos.

Em termos simples, a teoria indica que matéria e antimatéria não deveriam diferir em nada, excepto pelo facto de as partículas terem carga oposta às suas respectivas contrapartes. Se fosse apenas isso, a Grande Explosão deveria ter criado ambas em quantidades iguais; elas então se cancelariam rapidamente, e o Universo já estaria extremamente vazio.

O facto de estarmos aqui a pensar no assunto sugere que a física precisa tratar matéria e antimatéria de maneira diferente noutro aspecto. Diversas experiências já começaram a apontar pistas dessa assimetria, mas o tamanho da diferença observado até agora ainda não é suficiente para explicar a discrepância.

No CERN, a experiência BASE procura essa diferença em prótons e antiprótons, comparando como os seus estados de spin se comportam sob condições equivalentes. O spin é uma característica intrínseca de partículas subatómicas que faz com que elas se comportem como ímanes minúsculos.

Em execuções anteriores, o BASE mediu o momento magnético do antipróton com uma precisão de 1.5 parte por mil milhões. Mesmo assim, para frustração da equipa, o resultado continua compatível com o do próton comum.

Actualizações do BASE, transporte BASE-STEP e o que vem a seguir

Um dos entraves é que estados quânticos são extremamente sensíveis a perturbações do meio, o que dificulta manter antiprótons em superposição por tempo suficiente para examinar as suas propriedades com cuidado.

Após uma série de melhorias, o BASE conseguiu baixar esse “ruído” de fundo, separar melhor as partículas e permitir que elas permaneçam nesse borrão quântico em oscilação durante 50 segundos - um recorde.

E esse tempo ainda pode crescer. Em geral, não dá para levar antimatéria muito longe de onde ela é produzida: se encostar num recipiente feito de matéria comum, ela simplesmente desaparece.

O CERN vem a testar um novo sistema de transporte de antimatéria, chamado BASE-STEP, que pode futuramente permitir que esse material incomum seja levado a instalações especializadas, capazes de reduzir ainda mais - ou até eliminar - o ruído de fundo.

“Quando estiver totalmente operacional, o nosso novo sistema offline de armadilhas de Penning de alta precisão, que será abastecido com antiprótons transportados pelo BASE-STEP, poderá permitir que alcancemos tempos de coerência de spin talvez até 10 vezes mais longos do que nos experimentos actuais, o que mudará o jogo para a investigação de antimatéria bariônica”, diz a física do CERN Barbara Latacz.

A pesquisa foi publicada na revista Nature.