Antimatéria (parte 2): PET Scan e assimetria matéria-antimatéria (V.4, N.7, 2018)

PET Scan, foto por: Liz West

Na postagem passada falamos um pouco do que é antimatéria e sobre a história de como a descobrimos. Desta vez vamos nos focar em pesquisa e aplicação! Em especial, falaremos da tomografia por emissão de pósitron (PET Scan, do inglês Positron Emission Tomography) que é uma técnica usada em medicina e da assimetria matéria-antimatéria que é um problema em aberto na Física que motiva a pesquisa do meu doutorado! Vamos lá?

PET Scan

A tomografia por emissão de pósitrons (PET Scan) é uma técnica usada pela física médica para observar processos metabólicos no corpo de forma a auxilar no diagnóstico de doenças. Para entender o funcionamento desta técnica, vamos recapitular alguns conceitos que foram vistos na parte 1:

  • Algumas variedades de elementos químicos (isótopos radioativos, também chamados de radioisótopos) produzem pósitrons de maneira natural devido a um processo conhecido como decaimento β+.
  • Quando pósitrons encontram suas antipartículas (elétrons), este se aniquilam liberando radiação.

Algumas características importantes da aniquilação de pares são:

  • Aniquilações de pares sempre liberam um par de fótons (partículas de luz).
  • Os fótons emitidos na aniquilação são emitidos em direções opostas.
  • O comprimento de onda dos fótons emitidos depende apenas da massa das partículas, assim dado que estamos trabalhando com elétrons e pósitrons, teremos um comprimento de onda fixo, isto é, a radiação emitida pela aniquilação de pares é monocromática.
Representação de uma aniquilação de pares. Fonte: Machado ACB, et al.

Pronto, temos todos os conceitos necessários para entender o PET Scan! A ideia aqui é que se detectarmos dois fótons com um comprimento de onda específico viajando em direções opostas sabemos não só que ocorreu uma aniquilação de pares, mas aonde ela ocorreu.

Falta apenas um método para levar radioisótopos as regiões de interesse no corpo humano. Existem diversas aplicações da técnica PET em medicina, e neste método elas vão variar, vou dar como exemplo um uso bastante comum: o diagnósticos e acompanhamento de câncer.

Tomografia de corpo inteiro usando PET e o radiofármaco FDG. É possível ver traços de urina radioativa na bexiga e uma massa tumoral na região do fígado.
Fonte: Jens Maus/Wikipedia.

Para introduzir radioisótopos no paciente, médicos usam medicamentos conhecidos como radiofármacos que são produzidos em aceleradores de partículas, como o do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, localizado em São Paulo. Um exemplo de radiofármaco é a Fluordesoglicose (FDG), que é uma substância parecida com glicose comum, mas que contém um radioisótopo de flúor (¹⁸F) no lugar de um átomo de oxigênio.

Quando a FDG é introduzida, o corpo a reconhece como glicose e a transporta para células que precisam de glicose, porém o átomo faltante de oxigênio é necessário para que as células metabolizarem a molécula, então o processo para neste estágio, até que tenhamos o decaimento do Flúor-18.

Células cancerígenas estão se dividindo fora de controle, assim necessitam de mais energia e consequentemente de mais glicose. Se existirem células cancerígenas, veremos então uma maior emissão de fótons de aniquilação de uma determinada região do corpo. Usando softwares, estes dados são transformados em uma imagem que pode ser interpretada por um médico oncologista.

Assimetria matéria-antimatéria

Mudando completamente de assunto vamos falar de um problema em aberto da física que me encantou desde a primeira vez que o vi em uma aula de física de partículas e é meu objeto de estudo desde a graduação: A assimetria matéria-antimatéria.

Com exceção das cargas opostas, matéria e antimatéria são muito parecidas, por exemplo, múons e anti-múons tem a mesma massa, mesmo tempo de vida, além de diversas outras propriedades que estes compartilham. Assim surge de maneira natural a seguinte pergunta: Por que o universo é feito de matéria?

Poderíamos ter um “anti-sistema solar”?
Fonte: NASA

É perfeitamente plausível imaginar um universo exatamente igual o nosso, porém com toda a matéria substituída por antimatéria. Esta questão foi notada há muito tempo, Dirac quando recebeu o premio Nobel por suas contribuições para a teoria do elétron disse:

“Se aceitarmos a visão de completa simetria
entre cargas elétricas positivas e negativas no
que diz respeito as leis fundamentais da
natureza, devemos considerar um acidente que
a Terra (e presumivelmente o sistema solar
inteiro) contenha um predomínio de elétrons
negativos e prótons positivos. É bem possível
que para algumas estrelas seja o oposto, estas
sendo feitas predominantemente de pósitrons e
próton negativos. De fato, podem haver metade
das estrelas de cada tipo. Os dois tipos de
estrelas devem apresentar exatamente o mesmo
espectro, não havendo um meio de distingui-las
pelos métodos astronômicos atuais.”

(Dirac, P. Nobel Lecture, 1931, Tradução livre)

Esta indagação seria apenas curiosidade se não fosse um problema fundamental: a adição de antimatéria em modelos de cosmologia não permite a formação do universo.

Talvez você já tenha ouvido falar, ou mesmo que não saiba digo agora: Relatividade Geral e Mecânica Quântica não conversam. Físicos ainda não sabem como fazer uma teoria que englobe estes dois tópicos, assim muitos resultados experimentais que confirmam previsões de uma dessas teorias precisam ser colocados a mão na outra, pois não surgem de maneira natural.

A cosmologia é a ciência que estuda a evolução do universo, sendo baseada em relatividade geral. Quando adicionamos antimatéria (uma previsão da mecânica quântica) nos modelos de cosmologia, não existem muitas diferenças entre matéria e antimatéria, assim é natural esperar que quantidades iguais das duas sejam produzidas no Big Bang.

Porém se assumimos esta hipótese, devido a aniquilação de pares, não sobra matéria o suficiente para gerar as grandes estruturas do universo como galaxias e estrelas que conhecemos. Assim é necessário supor que em algum momento existe uma assimetria entre o número de partículas e antipartículas que permita a formação de estruturas.

Como será a teoria que explica a formação do universo? será que estamos próximos dela?

O problema da assimetria matéria-antimatéria consiste em explicar qual o mecanismo que permite a existência dessa assimetria, atualmente este é um problema em aberto pois não temos nenhuma explicação satisfatória. O modelo que eu estudo no doutorado, assim como muitos outros, tenta resolver este problema partindo da física de partículas, porém a dificuldade em testar experimentalmente a física de altíssimas energias (como as energias nos primeiros segundos do universo) dificulta a tomada de conclusões.

Conclusões

Antimatéria é um campo fascinante da física de partículas que ainda está em seus primórdios, temos muito estudar e muito a descobrir ainda, quem sabe um dos leitores não será aquele a fazer descobertas neste ramo e talvez a resolver o problema da assimetria matéria-antimatéria?

Saiba mais

  1. Machado ACB, et al. “Usando a antimatéria na medicina moderna.”, Revista Brasileira de Ensino de Física. Sociedade Brasileira de Física, v. 28, n. 4, p. 407-416, 2006.

5 thoughts on “Antimatéria (parte 2): PET Scan e assimetria matéria-antimatéria (V.4, N.7, 2018)

  1. Com relação a assimetria matéria-antimatéria se considerarmos que existe um força no cosmos que não conhecemos onde estas duas não entram em contato uma com a outra esta força poderia explicar esta assimetria e ainda poderíamos supor como as estrelas são criadas, em um lugar onde estas forças teria menor influência e porque o universo nunca acabaria. Seria um sistema de auto-reciclagem eterno. Matéria se transformando em energia e energia se transformando em matéria.

    1. Você diz uma força no sentindo de interação? Por exemplo, algo que fizesse matéria e antimatéria se repelirem? Não temos nenhuma evidência de uma interação desse tipo nos nossos dados, a unica possibilidade seria uma interação que só existe a altíssimas energias, não tendo influência na física de baixas energias.

  2. Teoria “Fóton” Universal !

    Presumindo que partículas e antipartículas sempre existiram, porém com suas atrações
    elas acabavam aniquilando uma a outra. Nesse processo houve as liberações de Fótons
    em sentidos opostos que se juntaram com outros provenientes de reações similares e como
    dito por Isaac Newton e outros cientistas de seculos futuros, a luz pode ser matéria e energia
    tendo assim um determinado ” Peso” . Pensando desse modo, haveria
    um ponto em que se encontraria mais Fótons o que causaria um campo de atração maior
    para outros Fótons.
    Com Bilhares de reações ocorrendo a todo momento, o ponto em questão seria composto
    por fusões “Fóton” nucleares (Isso é só uma viagem minha, com nenhum embasamento
    cientificamente comprovado) o qual se tornaria tão pesado que atrairia matéria e antimatéria,
    porém elas não se atrairiam já que sofreriam reações com “o meio de concentração de Fótons”
    e formariam elementos como conhecemos hoje, hidrogênio por exemplo, sua densidade e calor
    seriam tão altas que ocorreria uma ENORME explosão (Big Bang) o qual separaria matéria
    e seu oposto, em formas desiguais, mas com dois lados onde um se prevaleceria sobre o outro.
    Dessa maneira, o espaço-tempo não seria algo apenas da Relatividade de Einstein, mas sim
    o que ocasionou possível a formação de tudo que temos hoje. Uma espécie de ” Barreira”
    entre a aniquilação.
    Mas será que essa ” Barreira “´ é quebrada quando conseguimos gerar antimatérias nos
    aceleradores de partículas?
    E a gravidade vai pra onde quando ignorada pela atração eletromagnética? será que existem
    partículas nessa força que nos atrai? ” Gravitons” são presentes nos dois lados da barreira
    espaço-tempo?
    Única coisa que tenho certeza é que sou um pré-vestibulando de tempo livre que quer saber mais
    como as coisas funcionam e deixando a criatividade fluir kkkkkk.
    Desculpe-me te encher dessa baboseira, mas li seus dois artigos e fiquei pensando nisso.
    Abraço!

    1. Olha é complicado pensar o universo primordial usando nossa intuição, pois assim como a água que quando passa uma determinada temperatura vira vapor, o universo também passa por transições de fase. No começo do universo, existe tanta energia que fótons estão a todo momento espalhando com outras partículas. É como se o universo fosse “opaco” para esta luz, tanto que costumamos descrever não matéria e radiação de forma separada, mas como um uma entidade chamada “plasma de bárions e fótons”.

      É legal que você tenta interesse no tema, e que tenha criatividade para bolar teorias que resolvam os problemas propostos, mas sendo a cosmologia uma Ciência, precisamos fazer previsões que são testáveis em laboratório! Ou pelo menos, usar as ferramentas teóricas atuais, como o modelo padrão da física de partículas elementares.

      Como vejo que você tem bastante interesse nesse tema, recomendo o livro “Os três primeiros minutos” do físico Steven Weinberg (Nobel de 1979), é um livro bastante agradável de ler e não exige conhecimento avançados! Aposto que você aproveitaria muito!

      Um abraço,
      Eduardo Sato.

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