Relógio fonte atômica visa resolver os mistérios da antimatéria

Os pesquisadores da Universidade de Swansea, Joos Schoonwater e Edward Thorpe-Woods, desenvolveram uma nova fonte de césio. Crédito: Stefan Eriksson.

Um dispositivo que produza uma fonte de átomos de césio poderia aumentar a compreensão do Universo ao medir a frequência da luz absorvida pela antimatéria.

Construído no Reino Unido com o apoio do Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas (EPSRC), ele foi agora instalado nas icônicas instalações do CERN para apoiar o experimento pioneiro de antimatéria Anti-hidrogênio Laser Physics Apparatus (ALPHA).

A Universidade de Swansea liderou o envolvimento do Reino Unido no ALPHA, financiado pelo EPSRC. A Universidade de Aarhus, na Dinamarca, forneceu apoio adicional, com financiamento da Fundação Carlsberg.

A fonte de césio ajudará o ALPHA a determinar a frequência da luz absorvida pelo anti-hidrogénio (a contraparte da antimatéria do hidrogénio) com a mesma precisão que já foi alcançada para o hidrogénio. Isto é vital para compreender a extensão da simetria entre matéria e antimatéria, uma grande questão que está no cerne de como o Universo funciona.

A fonte de césio foi projetada e construída no Laboratório Nacional de Física (NPL), o instituto nacional de metrologia do Reino Unido em Teddington, Middlesex.

A fonte de césio está encerrada em uma caixa de cerca de dois metros de altura. Átomos de césio resfriados a laser mantidos em uma câmara de vácuo são lançados em um tubo controlado magneticamente antes de cair novamente.

A radiação de microondas mede a frequência com que esses átomos oscilam, até a décima quinta casa decimal.

Isso fornecerá uma referência ultraprecisa contra a qual o ALPHA pode medir a interação dos átomos de anti-hidrogênio com a luz do laser, permitindo que seja determinada a frequência da luz que o anti-hidrogênio absorve.

O objetivo é atingir um nível de precisão que represente um aumento mil vezes comparado ao conhecimento atual. Prevê-se que isto seja alcançado nos próximos anos.

Uma das poucas deste tipo no mundo, esta fonte de césio é única na sua fiabilidade e robustez, cruciais para suportar as exigências que a ALPHA lhe irá colocar.

A integração do instrumento com o experimento no local evita que a ALPHA tenha que acessar esse tipo de capacidade via link de satélite, minimizando imprecisões nas medições realizadas.

Os resultados mostrarão se, de acordo com a teoria convencional, o hidrogênio e o anti-hidrogênio têm exatamente as mesmas propriedades (embora sejam imagens espelhadas).

Isto poderia esclarecer a razão pela qual parece haver hoje muito pouca antimatéria no Universo, apesar de ser geralmente assumido que quantidades iguais de matéria e antimatéria foram criadas no Big Bang, há 13,8 mil milhões de anos.

O Reino Unido é um parceiro chave na ALPHA e a capacidade proporcionada pela fonte de césio reforça o estatuto do Reino Unido como líder global no campo da investigação de antimatéria de baixa energia.

Jane Nicholson, Diretor Executivo da Base de Pesquisa do EPSRC disse:

“Este dispositivo emocionante consolidará ainda mais o papel do Reino Unido como nação líder na comunidade de pesquisadores que estudam as propriedades da antimatéria.

"Fornecendo uma precisão superior para medir a frequência da luz absorvida pela antimatéria, o relógio de fonte atómica demonstra a importância do investimento em instalações de classe mundial e o papel que desempenham na sustentação de descobertas inovadoras e é um excelente exemplo de colaboração entre estabelecimentos de investigação académicos e do sector público. ”

Professor Stefan Erikssonda Universidade de Swansea, que lidera o projeto da fonte de césio da ALPHA, diz:

“A nova fonte de césio é essencial para o nosso esforço contínuo para determinar se o hidrogénio e o anti-hidrogénio se comportam da mesma forma.

"Esperamos que o que descobrirmos melhore a compreensão dos blocos de construção básicos do nosso Universo. A fonte também ajudará a ALPHA a beneficiar o Reino Unido, treinando investigadores que possam aplicar as suas competências - em instrumentação, por exemplo - a campos de importância nacional, como tecnologias quânticas, que se espera que tenham um grande impacto na sociedade.”