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Em um avanço para a pesquisa de antimatéria , a colaboração BASE no CERN manteve um antipróton – a contraparte de antimatéria do próton – oscilando suavemente entre dois estados quânticos diferentes por quase um minuto enquanto estava preso. A conquista, relatada em um artigo publicado hoje na revista Nature , marca a primeira demonstração de um bit quântico de antimatéria, ou qubit, e abre caminho para comparações substancialmente aprimoradas entre o comportamento da matéria e da antimatéria.
Partículas como o antipróton, que tem a mesma massa, mas carga elétrica oposta à do próton, se comportam como barras magnéticas em miniatura que podem “apontar” em uma de duas direções, dependendo do seu spin mecânico quântico subjacente.
Medir a maneira como esses chamados momentos magnéticos se alternam, usando uma técnica chamada espectroscopia de transição quântica coerente, é uma ferramenta poderosa em sensoriamento quântico e processamento de informações. Também permite testes de alta precisão das leis fundamentais da natureza, incluindo a simetria carga-paridade-tempo. Essa simetria determina que matéria e antimatéria se comportam de forma idêntica, o que contradiz a observação de que a matéria supera em muito a antimatéria no Universo.
Partículas possuem características quânticas que desafiam o nosso senso comum, como a capacidade de interferir em si mesmas, como demonstrado no experimento da dupla fenda. As interações com o ambiente circundante podem suprimir rapidamente esses efeitos de interferência por meio de um processo conhecido como decoerência quântica. Preservar a coerência é essencial para controlar e rastrear a evolução de sistemas quânticos, como as transições entre os estados de spin de um único antipróton.
Embora transições quânticas coerentes já tenham sido observadas em grandes coleções de partículas e em íons aprisionados, elas nunca foram observadas em um único momento magnético nuclear livre – apesar de este último ser destaque em livros didáticos de física. A colaboração BASE agora alcançou esse objetivo na fábrica de antimatéria do CERN.
Em alguns aspectos, o feito pode ser comparado a empurrar uma criança em um balanço de playground. Com o empurrão certo, o balanço se move para frente e para trás em um ritmo perfeito. Agora imagine que o balanço é um único antipróton preso, oscilando entre seus estados de spin "para cima" e "para baixo" em um ritmo suave e controlado. A colaboração BASE conseguiu isso usando um sistema sofisticado de armadilhas eletromagnéticas para dar ao antipróton o "empurrão" certo no momento certo. E como esse balanço tem propriedades quânticas, o spin-qubit de antimatéria pode até apontar em direções diferentes ao mesmo tempo, mesmo sem ser observado.
O experimento BASE estuda antiprótons produzidos na fábrica de antimatéria do CERN, armazenando-os em armadilhas de Penning eletromagnéticas e alimentando-os, um a um, em um segundo sistema multi-armadilha para, entre outras coisas, medir e alterar seus estados de spin. Usando essa configuração, a colaboração BASE já havia demonstrado que as magnitudes dos momentos magnéticos do próton e do antipróton são idênticas com uma precisão de apenas algumas partes por bilhão. Qualquer pequena diferença em suas magnitudes quebraria a simetria carga-paridade-tempo e apontaria para uma nova física além do Modelo Padrão da física de partículas.
No entanto, este resultado anterior baseou-se em uma técnica de espectroscopia incoerente na qual as transições quânticas eram perturbadas por flutuações do campo magnético e interferências nas medições. Em uma atualização substancial do experimento, esses mecanismos de decoerência foram suprimidos e eliminados, culminando na primeira espectroscopia coerente de um spin antipróton. A equipe do BASE conseguiu isso por um período – chamado tempo de coerência do spin – de 50 segundos.
“Isso representa o primeiro qubit de antimatéria e abre a perspectiva de aplicar todo o conjunto de métodos de espectroscopia coerente a sistemas individuais de matéria e antimatéria em experimentos de precisão”, explica Stefan Ulmer, porta-voz da BASE. “Mais importante ainda, ajudará a BASE a realizar medições de momento antipróton em experimentos futuros com precisão de 10 a 100 vezes maior.”
Embora os qubits sejam os blocos de construção básicos dos computadores quânticos, onde permitem que as informações sejam armazenadas não apenas em um de dois estados, mas por meio de uma superposição potencialmente ilimitada desses estados, é improvável que o qubit de antimatéria demonstrado pelo BASE tenha aplicações imediatas fora da física fundamental.
Espera-se um salto ainda maior na precisão das medições de antiprótons com o BASE-STEP, que foi projetado para permitir o transporte de antipartículas aprisionadas por estrada para ambientes magnéticos "mais calmos" do que a fábrica de antimatéria. "Quando estiver totalmente operacional, nosso novo sistema de captura de precisão Penning offline, que será abastecido com antiprótons transportados pelo BASE-STEP, poderá nos permitir atingir tempos de coerência de spin talvez até dez vezes maiores do que os dos experimentos atuais, o que será um divisor de águas para a pesquisa de antimatéria bariônica", afirma a autora principal do artigo, Barbara Latacz.
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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). Participou do curso Astrofísica Geral no nível Georges Lemaître (EAD), concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Em outubro de 2014, ingressou no projeto S'Cool Ground Observation, que integra o Projeto CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System) administrado pela NASA. Posteriormente, em setembro de 2016, passou a participar do The Globe Program / NASA Globe Cloud, um programa mundial de ciência e educação com foco no monitoramento do clima terrestre.
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
Livraria> https://www.orionbook.com.br/
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