Quando o avião de Joseph Dwyer fez uma curva errada e entrou em uma nuvem de tempestade, o erro valeu a pena: esse físico atmosférico atravessou não apenas uma tempestade assustadora mas também uma névoa inesperada – e misteriosa – de antimatéria.
Ainda que tempestades poderosas sejam conhecidas por produzirem pósitrons – a versão de antimatéria dos eléctrons – a antimatéria observada por Dwyer e sua equipe não pode ser explicada por nenhum processo conhecido, explica ele. “Isso foi tão estranho que nos debruçamos sobre essa observação durante vários dias”, conta Dwyer, que atualmente está na University of New Hampshire, em Durham.
O voo ocorreu há seis anos, mas só agora a equipe está relatando o resultado (J. R. Dwyeret al. J. Plasma Phys.; no prelo). “A observação é um quebra-cabeça”, declara Michael Briggs, físico da Centro Marshall de Voos Espaciais da Nasa em Huntsville, Alabama, que não se envolveu no relatório.
Uma das principais características da antimatéria é que, quando faz contato com sua contraparte de matéria comum, ambas são instantaneamente transformadas em outras partículas em um processo conhecido como “aniquilação”. Isso torna a antimatéria excessivamente rara. No entanto, há muito se sabe que pósitrons são produzidos pelo decaimento de átomos radioativos e por fenômenos astrofísicos, como raios cósmicos atravessando a atmosfera a partir do espaço sideral. Na última década, pesquisas realizadas por Dwyer e outros cientistas mostraram que tempestades também produzem pósitrons, além de fótons altamente energéticos, ou raios-γ.
Foi para estudar esses raios-γ atmosféricos que Dwyer, então no Instituto de Tecnologia da Flórida, em Melbourne, instalou um detector de partículas em um Gulfstream V, um tipo de avião a jato normalmente usado por executivos de negócios. Em 21 de agosto de 2009, os pilotos se viraram na direção do que parecia, com base em seu perfil de radar, ser o litoral da Georgia. “Em vez disso, era uma linha de tempestades de relâmpagos – e estávamos voando bem no meio dela”, lembra Dwyer. O avião sacudia violentamente para a frente e para trás e repentinamente começou a mergulhar. “Eu realmente achei que fosse morrer”.
Durante esses minutos assustadores, o detector registrou três picos em raios-γ a uma energia de 511quiloelétronvolts, a assinatura de um pósitron sendo aniquilado contra um elétron.
De acordo com Dwyer e seus colaboradores, cada pico de raios-γ durou cerca de um-quinto de segundo e foi acompanhado por alguns raios-γ de energia levemente menor. A equipe concluiu que esses raios-γ tinham perdido energia como resultado de deslocamento de alguma distância e calcularam que uma breve nuvem de pósitrons, com ou 1 ou 2 quilômetros de comprimento, havia envolvido a aeronave. Mas deduzir o que poderia ter produzido uma nuvem assim se provou um desafio. “Nós ficamos cinco anos tentando modelar a produção dos pósitrons”, declara Dwyer.
Elétrons descarregados por nuvens carregadas chegam quase à velocidade da luz, e podem produzir raios-γ altamente energéticos, que por sua vez podem gerar um par elétron-pósitron quando atingem um núcleo atômico. Mas a equipe não detectou raios-γ o bastante com energia suficiente para fazer isso.
Outra possível explicação é que os pósitrons se originaram a partir de raios cósmicos, partículas do espaço sideral que colidem com átomos na atmosfera superior para produzir chuvas de partículas altamente energéticas, incluindo raios-γ. “Sempre existe uma espécie de garoa de pósitrons”, explica Dwyer. Em princípio, poderia haver algum mecanismo que manobrasse os pósitrons na direção do avião, observa ele. Mas o movimento de pósitrons teria criado outros tipos de radiação, que a equipe não viu.
Os dados da equipe são uma “assinatura em ferro fundido” de pósitrons, declara Jasper Kirkby, físico de partículas que dirige um experimento investigando uma possível ligação entre raios cósmicos e a formação de nuvens. Kirkby trabalha no CERN, o laboratório de física de partículas perto de Genebra, na Suíça. Mas “a interpretação precisa ser refinada”. Em particular, de acordo com ele, a estimativa da equipe para o tamanho da nuvem de pósitrons não é convincente.
Se Kirkby estiver certo e a nuvem for menor que a estimativa de Dwyer, isso poderia implicar que os pósitrons só estavam se aniquilando na vizinhança imediata da aeronave, ou até mesmo na própria aeronave. As asas poderiam ter ficado carregadas, produzindo campos elétricos extremamente intensos ao seu redor e iniciando a produção de pósitrons, explica Aleksandr Gurevich, físico atmosférico do Instituto Físico Lebedev, em Moscou.
Para responder essas e outras perguntas, Dwyer precisa de dados coletados no interior de nuvens de tempestade. Para esse fim, ele e outros pesquisadores estão enviando balões diretamente para as tempestades mais violentas, e a Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos até planeja enviar um detector de partículas em um A-10 ‘Warthog’ – um avião blindado anti-tanque que poderia suportar o ambiente extremo. “O interior de nuvens de tempestade é como uma paisagem bizarra que mal começamos a explorar”, conclui Dwyer.
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