Antimatéria: Os Enigmas das Antipartículas e sua Energia

A antimatéria

A antimatéria foi prevista por Paul Dirac (1902-1984) em 1928 a partir da equação relativística do elétron. Cada partícula possui uma antipartícula de mesma massa, mas com carga oposta. O encontro de uma partícula com sua antipartícula resulta em aniquilação total e conversão da massa em energia segundo \( E = mc^2 \).

A energia das antipartículas e o mar de Dirac

Cada antipartícula possui a mesma massa que sua partícula correspondente, mas pode assumir valores de energia negativos dentro da teoria de Dirac. Segundo essa teoria, o espaço dos estados quânticos está preenchido com níveis de energia negativa, formando o que é chamado de mar de Dirac.

Um estado vago nesse mar de Dirac se comporta como uma antipartícula de carga oposta. Quando esse estado é ocupado ou aniquilado, a energia negativa é liberada como radiação ou convertida em energia cinética, permitindo a observação da criação ou aniquilação de partículas e antipartículas.

Assim, a energia das antipartículas pode ser interpretada em dois níveis:

• Como energia positiva durante a criação de uma partícula real observável em laboratório.
• Como energia negativa dentro do quadro teórico dos estados preenchidos do mar de Dirac, que explica a existência das antipartículas e sua simetria com a matéria.

Essa dualidade energética é a base de muitos fenômenos físicos: a aniquilação matéria-antimatéria, a produção de anti-hidrogênio em laboratório e as transições energéticas quânticas que podem liberar fótons γ observáveis.

As antipartículas têm massa negativa?

As antipartículas não têm massa negativa. No formalismo de Dirac, podem ser vistas como soluções de energia negativa, mas sua massa de repouso é positiva e idêntica à da partícula correspondente.

O que diz a teoria de Dirac

Quando Paul Dirac (1902-1984) resolveu sua equação relativística para o elétron, ele encontrou duas famílias de soluções:

• níveis de energia positiva \(E>0\),
• níveis de energia negativa \(E<0\).

Para evitar que o elétron "caia" em estados de energia cada vez mais baixos, Dirac propôs que todos esses níveis negativos já estivessem preenchidos: é o mar de Dirac. Um "buraco" nesse mar se comporta como uma partícula com carga oposta: o pósitron.

Nessa interpretação, falamos de energia negativa, mas a massa de repouso \(m\) permanece positiva (por exemplo, \(m_e = 0,511~\mathrm{MeV}/c^2\)).

Massa de repouso vs. energia

A massa de repouso de uma partícula é o coeficiente antes de \(c^2\) em \( E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4 \). O sinal de \(E\) (energia total) pode mudar, mas o termo \(m^2\) sempre permanece positivo no formalismo padrão. Mesmo para antipartículas, mantemos \(m > 0\). O que muda são as cargas e os números quânticos (bariónico, leptônico, etc.).

Massa negativa: um conceito diferente

Uma massa negativa significaria que um objeto acelera na direção oposta à força aplicada (comportamento exótico). Nada nas observações de antipartículas (pósitrons, antiprótons, etc.) mostra tal efeito: elas caem em campos gravitacionais como suas contrapartes ordinárias (dentro dos limites experimentais).

Tabela de níveis de energia positivos e negativos de partículas e antipartículas

Fontes: CERN – Antimatéria, Particle Data Group, Wikipedia – Mar de Dirac.