Um vácuo borbulhante e estridente preenche o espaço quântico, distorcendo a forma de cada átomo de hidrogênio no universo. E agora sabemos que ele também distorce o gêmeo antimatéria do mundo bizarro do hidrogênio: o anti-hidrogênio.
A antimatéria é uma substância pouco compreendida, rara em nosso universo, que imita a matéria quase perfeitamente, mas com todas as propriedades invertidas. Por exemplo, elétrons são pequenas partículas de matéria que carregam carga negativa. Seus gêmeos antimatéria são minúsculos "pósitrons" que carregam uma carga positiva. Combine um elétron e um próton (uma partícula de matéria maior e com carga positiva) e você obtém um simples átomo de hidrogênio. Combine um pósitron de antimatéria com um "antipróton" e você obterá anti-hidrogênio. Quando matéria regular e antimatéria se tocam, as partículas de matéria e antimatéria se aniquilam.
Atualmente, a antimatéria parece ser o gêmeo perfeito e antagônico da matéria, e um dos grandes mistérios da física é o motivo pelo qual a matéria passou a dominar o espaço à medida que a antimatéria se tornou um pouco participante no universo. Encontrar alguma diferença entre os dois poderia ajudar a explicar a estrutura do universo moderno.
A mudança de Lamb foi um bom lugar para procurar esse tipo de diferença, disse Makoto Fujiwara, físico canadense de partículas afiliado ao CERN e co-autor do novo estudo, publicado em 19 de fevereiro na revista Nature. Os físicos quânticos conhecem esse estranho efeito quântico, em homenagem ao físico Willis Lamb, da Universidade do Arizona, desde 1947. Na primeira grande conferência pós-guerra dos físicos americanos, Lamb revelou que algo invisível dentro dos átomos de hidrogênio empurra suas partículas internas, criando uma lacuna maior. entre o próton e o elétron em órbita do que a teoria nuclear existente permitia.
"Grosso modo, a mudança de Lamb é uma manifestação física do efeito do 'vácuo'", disse Fujiwara à Live Science. "Quando você normalmente pensa sobre o vácuo, pensa em 'nada'. No entanto, de acordo com a teoria da física quântica, o vácuo é preenchido com as chamadas 'partículas virtuais', que estão constantemente nascendo e destruindo ".
Esse borbulhar sobrenatural de partículas breves e semi-reais tem impactos reais no universo circundante. E dentro dos átomos de hidrogênio, cria uma pressão que separa as duas partículas ligadas. A descoberta inesperada ganhou a Lamb o Prêmio Nobel de 1955 em física.
Mas enquanto os físicos sabem há décadas que a mudança de Lamb alterou o hidrogênio, eles não tinham idéia se isso também afetava o anti-hidrogênio.
Fujiwara e seus co-autores queriam descobrir.
"O objetivo geral de nossos estudos é verificar se existe alguma diferença entre hidrogênio e anti-hidrogênio, e não sabemos antecipadamente onde essa diferença pode aparecer", disse Fujiwara à Live Science.
Para estudar a questão, os pesquisadores coletaram meticulosamente amostras de anti-hidrogênio usando o experimento de antimatéria do Aparelho de Física a Laser Anti-hidrogênio (ALPHA) no European Organization for Nuclear Research (CERN), o gigante laboratório de física nuclear do continente. O ALPHA leva algumas horas para gerar uma amostra de anti-hidrogênio grande o suficiente para trabalhar, disse Fujiwara.
Suspende a substância em campos magnéticos que repelem a matéria. Os pesquisadores da ALPHA atingiram o anti-hidrogênio preso com luz laser para estudar como a antimatéria interage com os fótons, o que pode revelar propriedades ocultas dos pequenos anti-átomos.
Repetindo o experimento uma dúzia de vezes em diferentes amostras de anti-hidrogênio sob diferentes condições, os pesquisadores da ALPHA não encontraram diferença entre a mudança de Lamb no hidrogênio e a mudança de Lamb no anti-hidrogênio que seus instrumentos puderam detectar.
"Atualmente, não há diferença conhecida entre as propriedades fundamentais do anti-hidrogênio e do hidrogênio regular", disse Fujiwara. "Se encontrarmos alguma diferença, mesmo a menor quantidade, forçaria uma mudança radical na maneira como entendemos nosso universo físico".
Embora os pesquisadores ainda não tenham encontrado diferenças, a física anti-hidrogênio ainda é um campo jovem. Os físicos nem sequer tinham amostras facilmente estudadas até 2002, e o ALPHA não começou a capturar rotineiramente amostras de hidrogênio até 2011.
Essa descoberta é um "primeiro passo", disse Fujiwara, mas ainda há muito mais a ser estudado antes que os físicos realmente entendam como o hidrogênio e o anti-hidrogênio se comparam.
