Antimatéria

Uma fotografia de câmara de nuvem do primeiro positron observado, 2 de agosto de 1932.

Na física moderna, a antimatéria é definida como matéria composta de antipartículas (ou "parceiros") das partículas correspondentes em "comum" matéria e pode ser pensado como matéria com carga, paridade e tempo invertidos (reversão CPT). A antimatéria ocorre em processos naturais como colisões de raios cósmicos e alguns tipos de decaimento radioativo, mas apenas uma pequena fração deles foi unida com sucesso em experimentos para formar antiátomos. Números minúsculos de antipartículas podem ser gerados em aceleradores de partículas; no entanto, a produção artificial total foi de apenas alguns nanogramas. Nenhuma quantidade macroscópica de antimatéria jamais foi montada devido ao custo extremo e dificuldade de produção e manuseio.

Em teoria, uma partícula e sua antipartícula (por exemplo, um próton e um antipróton) têm a mesma massa, mas cargas elétricas opostas e outras diferenças nos números quânticos.

Uma colisão entre qualquer partícula e seu parceiro antipartícula leva à aniquilação mútua, dando origem a várias proporções de fótons intensos (raios gama), neutrinos e, às vezes, pares partícula-antipartícula menos massivos. A maior parte da energia total de aniquilação emerge na forma de radiação ionizante. Se houver matéria circundante, o conteúdo energético dessa radiação será absorvido e convertido em outras formas de energia, como calor ou luz. A quantidade de energia liberada geralmente é proporcional à massa total da matéria e antimatéria que colidiram, de acordo com a notável equação de equivalência massa-energia, E =mc².

As antipartículas ligam-se umas às outras para formar a antimatéria, assim como as partículas comuns se ligam para formar a matéria normal. Por exemplo, um pósitron (a antipartícula do elétron) e um antipróton (a antipartícula do próton) podem formar um átomo de anti-hidrogênio. Os núcleos de anti-hélio foram produzidos artificialmente, embora com dificuldade, e são os anti-núcleos mais complexos observados até agora. Os princípios físicos indicam que são possíveis núcleos atômicos complexos de antimatéria, assim como antiátomos correspondentes aos elementos químicos conhecidos.

Há fortes evidências de que o universo observável é composto quase inteiramente de matéria comum, em oposição a uma mistura igual de matéria e antimatéria. Essa assimetria de matéria e antimatéria no universo visível é um dos grandes problemas não resolvidos da física. O processo pelo qual essa desigualdade entre partículas de matéria e antimatéria se desenvolveu é chamado de bariogênese.

Definições

As partículas de antimatéria carregam a mesma carga que as partículas de matéria, mas de sinal oposto. Ou seja, um antipróton é carregado negativamente e um antielétron (pósitron) é carregado positivamente. Os nêutrons não carregam uma carga líquida, mas seus quarks constituintes sim. Prótons e nêutrons têm um número de bárions de +1, enquanto antiprótons e antinêutrons têm um número de bárions de -1. Da mesma forma, os elétrons têm um número leptônico de +1, enquanto o dos pósitrons é -1. Quando uma partícula e sua antipartícula correspondente colidem, ambas são convertidas em energia.

O termo francês contra-terrene levou ao inicialismo "C.T." e o termo de ficção científica "seetee", usado em romances como Seetee Ship.

História conceitual

A ideia de matéria negativa aparece em antigas teorias da matéria que agora foram abandonadas. Usando a outrora popular teoria da gravidade do vórtice, a possibilidade de matéria com gravidade negativa foi discutida por William Hicks na década de 1880. Entre as décadas de 1880 e 1890, Karl Pearson propôs a existência de "esguichos" e sumidouros do fluxo de éter. Os esguichos representavam a matéria normal e os sumidouros representavam a matéria negativa. A teoria de Pearson exigia uma quarta dimensão para o éter fluir de e para dentro.

O termo antimatéria foi usado pela primeira vez por Arthur Schuster em duas cartas bastante caprichosas à Nature em 1898, nas quais ele cunhou o termo. Ele hipotetizou antiátomos, bem como sistemas solares inteiros de antimatéria, e discutiu a possibilidade de matéria e antimatéria se aniquilarem. As ideias de Schuster não eram uma proposta teórica séria, apenas especulação e, como as ideias anteriores, diferiam do conceito moderno de antimatéria por possuir gravidade negativa.

A teoria moderna da antimatéria começou em 1928, com um artigo de Paul Dirac. Dirac percebeu que sua versão relativística da equação de onda de Schrödinger para elétrons previa a possibilidade de antielétrons. Estes foram descobertos por Carl D. Anderson em 1932 e nomeados pósitrons de "elétron positivo". Embora Dirac não tenha usado o termo antimatéria, seu uso decorre naturalmente de antielétrons, antiprótons, etc. Uma tabela periódica completa de antimatéria foi concebida por Charles Janet em 1929.

A interpretação de Feynman-Stueckelberg afirma que a antimatéria e as antipartículas são partículas regulares que viajam para trás no tempo.

Notação

Uma maneira de denotar uma antipartícula é adicionando uma barra sobre o símbolo da partícula. Por exemplo, o próton e o antipróton são indicados como
p
e
p
, respectivamente. A mesma regra se aplica se alguém abordar uma partícula por seus componentes constituintes. Um próton é composto de u u d quarks, portanto, um antipróton deve ser formado a partir de uud antiquarks. Outra convenção é distinguir partículas por carga elétrica positiva e negativa. Assim, o elétron e o pósitron são denotados simplesmente como
e⁻
e
e⁺
respectivamente. Para evitar confusão, no entanto, as duas convenções nunca são misturadas.

Propriedades

Propriedades antigravitacionais teorizadas da antimatéria estão atualmente sendo testadas nos experimentos AEGIS e ALPHA-g no CERN. Pesquisas são necessárias para estudar os possíveis efeitos gravitacionais entre matéria e antimatéria, e entre antimatéria e antimatéria. Porém a pesquisa é difícil considerando que quando os dois se encontram eles aniquilam, junto com as dificuldades atuais de capturar e conter a antimatéria.

Existem razões teóricas convincentes para acreditar que, além do fato de que as antipartículas têm sinais diferentes em todas as cargas (como cargas elétricas e bariônicas), matéria e antimatéria têm exatamente as mesmas propriedades. Isso significa que uma partícula e sua antipartícula correspondente devem ter massas idênticas e tempos de vida de decaimento (se instáveis). Também implica que, por exemplo, uma estrela composta de antimatéria (uma "antiestrela") brilhará como uma estrela comum. Essa ideia foi testada experimentalmente em 2016 pelo experimento ALPHA, que mediu a transição entre os dois estados de menor energia do anti-hidrogênio. Os resultados, idênticos aos do hidrogênio, confirmaram a validade da mecânica quântica para a antimatéria.

Origem e assimetria

A maior parte da matéria observável da Terra parece ser feita de matéria e não de antimatéria. Se existissem regiões do espaço dominadas por antimatéria, os raios gama produzidos nas reações de aniquilação ao longo da fronteira entre as regiões de matéria e antimatéria seriam detectáveis.

As antipartículas são criadas em todos os lugares do universo onde ocorrem colisões de partículas de alta energia. Raios cósmicos de alta energia atingindo a atmosfera da Terra (ou qualquer outra matéria no Sistema Solar) produzem quantidades mínimas de antipartículas nos jatos de partículas resultantes, que são imediatamente aniquilados pelo contato com a matéria próxima. Eles também podem ser produzidos em regiões como o centro da Via Láctea e outras galáxias, onde ocorrem eventos celestes muito energéticos (principalmente a interação de jatos relativísticos com o meio interestelar). A presença da antimatéria resultante é detectável pelos dois raios gama produzidos toda vez que os pósitrons se aniquilam com a matéria próxima. A frequência e o comprimento de onda dos raios gama indicam que cada um carrega 511 keV de energia (ou seja, a massa restante de um elétron multiplicada por c²).

Observações do satélite INTEGRAL da Agência Espacial Européia podem explicar a origem de uma gigantesca nuvem de antimatéria ao redor do centro galáctico. As observações mostram que a nuvem é assimétrica e corresponde ao padrão de binários de raios-X (sistemas estelares binários contendo buracos negros ou estrelas de nêutrons), principalmente em um lado do centro galáctico. Embora o mecanismo não seja totalmente compreendido, é provável que envolva a produção de pares elétron-pósitron, pois a matéria comum ganha energia cinética ao cair em um remanescente estelar.

A antimatéria pode existir em quantidades relativamente grandes em galáxias distantes devido à inflação cósmica no tempo primordial do universo. Espera-se que as galáxias de antimatéria, se existirem, tenham a mesma química e espectros de absorção e emissão que as galáxias de matéria normal, e seus objetos astronômicos seriam observacionalmente idênticos, tornando-os difíceis de distinguir. A NASA está tentando determinar se tais galáxias existem, procurando por assinaturas de raios-X e raios gama de eventos de aniquilação em superaglomerados em colisão.

Em outubro de 2017, os cientistas que trabalhavam no experimento BASE no CERN relataram uma medição do momento magnético do antipróton com uma precisão de 1,5 partes por bilhão. É consistente com a medição mais precisa do momento magnético do próton (também feita pela BASE em 2014), que suporta a hipótese de simetria CPT. Esta medição representa a primeira vez que uma propriedade da antimatéria é conhecida com mais precisão do que a propriedade equivalente na matéria.

A interferometria quântica de antimatéria foi demonstrada pela primeira vez em 2018 no Laboratório de Pósitrons (L-NESS) de Rafael Ferragut em Como (Itália), por um grupo liderado por Marco Giammarchi.

Produção natural

Os pósitrons são produzidos naturalmente em decaimentos β⁺ de isótopos radioativos naturais (por exemplo, potássio-40) e em interações de quanta gama (emitidos por núcleos radioativos) com a matéria. Os antineutrinos são outro tipo de antipartícula criada pela radioatividade natural (decaimento β⁻). Muitos tipos diferentes de antipartículas também são produzidos por (e contidos em) raios cósmicos. Em janeiro de 2011, uma pesquisa da American Astronomical Society descobriu antimatéria (pósitrons) originária de nuvens de tempestade; os pósitrons são produzidos em flashes de raios gama terrestres criados por elétrons acelerados por fortes campos elétricos nas nuvens. Antiprótons também foram encontrados nos cinturões de Van Allen ao redor da Terra pelo módulo PAMELA.

As antipartículas também são produzidas em qualquer ambiente com temperatura suficientemente alta (energia média da partícula maior que o limite de produção do par). Supõe-se que durante o período da bariogênese, quando o universo era extremamente quente e denso, matéria e antimatéria foram continuamente produzidas e aniquiladas. A presença de matéria remanescente e ausência de antimatéria remanescente detectável é chamada de assimetria bariônica. O mecanismo exato que produziu essa assimetria durante a bariogênese permanece um problema não resolvido. Uma das condições necessárias para esta assimetria é a violação da simetria CP, que foi observada experimentalmente na interação fraca.

Observações recentes indicam que buracos negros e estrelas de nêutrons produzem grandes quantidades de plasma pósitron-elétron através dos jatos.

Observação em raios cósmicos

Experiências de satélite encontraram evidências de pósitrons e alguns antiprótons em raios cósmicos primários, totalizando menos de 1% das partículas em raios cósmicos primários. Essa antimatéria não pode ter sido criada no Big Bang, mas é atribuída a ter sido produzida por processos cíclicos em altas energias. Por exemplo, pares elétron-pósitron podem ser formados em pulsares, como um ciclo de rotação de estrela de nêutrons magnetizados separa pares elétron-pósitron da superfície da estrela. Ali, a antimatéria forma um vento que se choca contra o material ejetado das supernovas progenitoras. Esse intemperismo ocorre quando "o vento relativístico frio e magnetizado lançado pela estrela atinge o material ejetado em expansão não relativística, um sistema de ondas de choque se forma no impacto: o externo se propaga no material ejetado, enquanto um choque reverso se propaga de volta em direção à estrela." A primeira ejeção de matéria na onda de choque externa e a última produção de antimatéria na onda de choque reversa são etapas de um ciclo climático espacial.

Resultados preliminares do Espectrômetro Magnético Alpha atualmente em operação (AMS-02) a bordo da Estação Espacial Internacional mostram que os pósitrons nos raios cósmicos chegam sem direcionalidade e com energias que variam de 10 GeV para 250 GeV. Em setembro de 2014, novos resultados com quase o dobro de dados foram apresentados em uma palestra no CERN e publicados na Physical Review Letters. Uma nova medição da fração de pósitrons até 500 GeV foi relatada, mostrando que a fração de pósitrons atinge um máximo de cerca de 16% do total de eventos de elétron+pósitron, em torno de uma energia de 275 ± 32 GeV. Em energias mais altas, até 500 GeV, a proporção de pósitrons para elétrons começa a cair novamente. O fluxo absoluto de pósitrons também começa a cair antes de 500 GeV, mas atinge o pico em energias muito mais altas do que as energias de elétrons, que atingem o pico em cerca de 10 GeV. Sugere-se que esses resultados na interpretação sejam devidos à produção de pósitrons em eventos de aniquilação de partículas massivas de matéria escura.

Os antiprótons de raios cósmicos também têm uma energia muito maior do que suas contrapartes de matéria normal (prótons). Eles chegam à Terra com uma energia característica máxima de 2 GeV, indicando sua produção em um processo fundamentalmente diferente dos prótons de raios cósmicos, que possuem em média apenas um sexto da energia.

Existe uma busca contínua por núcleos de antimatéria maiores, como núcleos de anti-hélio (isto é, partículas anti-alfa), em raios cósmicos. A detecção de anti-hélio natural pode implicar na existência de grandes estruturas de antimatéria, como uma antiestrela. Um protótipo do AMS-02 designado AMS-01, foi levado ao espaço a bordo do Space Shuttle Discovery no STS- 91 em junho de 1998. Ao não detectar nenhum anti-hélio, o AMS-01 estabeleceu um limite superior de 1,1×10⁻⁶ para a razão do fluxo de anti-hélio para hélio. O AMS-02 revelou em dezembro de 2016 que havia descoberto alguns sinais consistentes com núcleos de anti-hélio em meio a vários bilhões de núcleos de hélio. O resultado ainda será verificado, e a equipe está tentando descartar a possibilidade de contaminação.

Produção artificial

Positrons

Os pósitrons foram relatados em novembro de 2008 como tendo sido gerados pelo Lawrence Livermore National Laboratory em maior número do que por qualquer processo sintético anterior. Um laser conduziu elétrons através dos núcleos de um alvo de ouro, o que fez com que os elétrons entrantes emitissem quanta de energia que decaíram em matéria e antimatéria. Os pósitrons foram detectados em uma taxa mais alta e em maior densidade do que nunca antes detectado em um laboratório. Experimentos anteriores produziram quantidades menores de pósitrons usando lasers e alvos finos como papel; simulações mais recentes mostraram que rajadas curtas de lasers ultraintensos e ouro de espessura milimétrica são uma fonte muito mais eficaz.

Antiprótons, antinêutrons e antinúcleos

A existência do antipróton foi confirmada experimentalmente em 1955 pelos físicos da Universidade da Califórnia, Berkeley, Emilio Segrè e Owen Chamberlain, pelos quais receberam o Prêmio Nobel de Física de 1959. Um antipróton consiste em dois antiquarks up e um antiquark down (uud). Todas as propriedades do antipróton que foram medidas correspondem às propriedades correspondentes do próton, com exceção do antipróton ter carga elétrica oposta e momento magnético do próton. Pouco depois, em 1956, o antineutron foi descoberto em colisões próton-próton no Bevatron (Lawrence Berkeley National Laboratory) por Bruce Cork e colegas.

Além dos antibárions, foram criados antinúcleos que consistem em múltiplos antiprótons e antinêutrons ligados. Estes são tipicamente produzidos em energias muito altas para formar átomos de antimatéria (com pósitrons ligados no lugar de elétrons). Em 1965, um grupo de pesquisadores liderados por Antonino Zichichi relatou a produção de núcleos de antideutério no Proton Synchrotron do CERN. Mais ou menos ao mesmo tempo, observações de núcleos de antideutério foram relatadas por um grupo de físicos americanos no Alternating Gradient Synchrotron no Brookhaven National Laboratory.

Átomos de anti-hidrogênio

Em 1995, o CERN anunciou que havia criado com sucesso nove átomos quentes de anti-hidrogênio implementando o conceito SLAC/Fermilab durante o experimento PS210. O experimento foi realizado usando o Low Energy Antiproton Ring (LEAR) e foi liderado por Walter Oelert e Mario Macri. O Fermilab logo confirmou as descobertas do CERN produzindo aproximadamente 100 átomos de anti-hidrogênio em suas instalações. Os átomos de anti-hidrogênio criados durante o PS210 e experimentos subsequentes (tanto no CERN quanto no Fermilab) eram extremamente energéticos e não eram adequados para estudo. Para resolver esse obstáculo e obter uma melhor compreensão do anti-hidrogênio, duas colaborações foram formadas no final da década de 1990, a saber, ATHENA e ATRAP.

Em 1999, o CERN ativou o Antiproton Decelerator, um dispositivo capaz de desacelerar antiprótons de 3.5 GeV para 5,3 MeV – ainda muito "quente" para produzir anti-hidrogênio eficaz no estudo, mas um grande salto à frente. No final de 2002, o projeto ATHENA anunciou que havia criado o primeiro projeto "frio" antihidrogênio. O projeto ATRAP divulgou resultados semelhantes logo em seguida. Os antiprótons usados nesses experimentos foram resfriados desacelerando-os com o Antiproton Decelerator, passando-os por uma fina folha de papel alumínio e, finalmente, capturando-os em uma armadilha Penning-Malmberg. O processo geral de resfriamento é viável, mas altamente ineficiente; aproximadamente 25 milhões de antiprótons deixam o antipróton desacelerador e cerca de 25.000 chegam à armadilha Penning-Malmberg, que é cerca de 1 /1000 ou 0,1% do valor original.

Os antiprótons ainda estão quentes quando inicialmente presos. Para resfriá-los ainda mais, eles são misturados em um plasma de elétrons. Os elétrons neste plasma esfriam por meio da radiação do ciclotron e depois esfriam os antiprótons simpaticamente por meio de colisões de Coulomb. Eventualmente, os elétrons são removidos pela aplicação de campos elétricos de curta duração, deixando os antiprótons com energias inferiores a 100 meV . Enquanto os antiprótons estão sendo resfriados na primeira armadilha, uma pequena nuvem de pósitrons é capturada do sódio radioativo em um acumulador de pósitrons estilo Surko. Essa nuvem é então recapturada em uma segunda armadilha próxima aos antiprótons. As manipulações dos eletrodos da armadilha então jogam os antiprótons no plasma de pósitrons, onde alguns se combinam com os antiprótons para formar o anti-hidrogênio. Este anti-hidrogênio neutro não é afetado pelos campos elétricos e magnéticos usados para prender os pósitrons e antiprótons carregados e, em poucos microssegundos, o anti-hidrogênio atinge as paredes da armadilha, onde é aniquilado. Algumas centenas de milhões de átomos de anti-hidrogênio foram produzidos dessa maneira.

Em 2005, o ATHENA se desfez e alguns dos ex-membros (juntamente com outros) formaram a Colaboração ALPHA, que também é baseada no CERN. O objetivo final deste esforço é testar a simetria CPT através da comparação dos espectros atômicos de hidrogênio e anti-hidrogênio (ver séries espectrais de hidrogênio).

A maioria dos testes de alta precisão das propriedades do anti-hidrogênio só poderia ser realizada se o anti-hidrogênio estivesse preso, ou seja, mantido no local por um tempo relativamente longo. Enquanto os átomos de anti-hidrogênio são eletricamente neutros, os spins de suas partículas componentes produzem um momento magnético. Esses momentos magnéticos podem interagir com um campo magnético não homogêneo; alguns dos átomos de anti-hidrogênio podem ser atraídos para um mínimo magnético. Tal mínimo pode ser criado por uma combinação de espelhos e campos multipolares. O anti-hidrogênio pode ser aprisionado em tal armadilha magnética mínima (mínimo-B); em novembro de 2010, a colaboração ALPHA anunciou que havia aprisionado 38 átomos de anti-hidrogênio por cerca de um sexto de segundo. Esta foi a primeira vez que a antimatéria neutra foi capturada.

Em 26 de abril de 2011, o ALPHA anunciou que havia capturado 309 átomos de anti-hidrogênio, alguns por até 1.000 segundos (cerca de 17 minutos). Isso foi mais longo do que a antimatéria neutra já havia ficado presa antes. A ALPHA usou esses átomos aprisionados para iniciar a pesquisa sobre as propriedades espectrais do anti-hidrogênio.

Em 2016, um novo desacelerador antipróton e resfriador chamado ELENA (Extra Low ENergy Antiproton desacelerador) foi construído. Ele pega os antiprótons do desacelerador de antiprótons e os resfria a 90 keV, que é "frio" suficiente para estudar. Esta máquina funciona usando alta energia e acelerando as partículas dentro da câmara. Mais de cem antiprótons podem ser capturados por segundo, uma grande melhoria, mas ainda levaria vários milhares de anos para produzir um nanograma de antimatéria.

O maior fator limitante na produção em larga escala de antimatéria é a disponibilidade de antiprótons. Dados recentes divulgados pelo CERN afirmam que, quando totalmente operacionais, suas instalações são capazes de produzir dez milhões de antiprótons por minuto. Presumindo uma conversão de 100% de antiprótons em anti-hidrogênio, levaria 100 bilhões de anos para produzir 1 grama ou 1 mol de anti-hidrogênio (aproximadamente 6.02×10²³ átomos de anti-hidrogênio). No entanto, o CERN produz apenas 1% da antimatéria que o Fermilab produz, e nenhum deles foi projetado para produzir antimatéria. Segundo Gerald Jackson, usando tecnologia já em uso hoje, somos capazes de produzir e capturar 20 gramas de partículas de antimatéria por ano a um custo anual de 670 milhões de dólares por instalação.

Anti-hélio

Núcleos de anti-hélio-3 (³
Ele
) foram observados pela primeira vez na década de 1970 em experimentos de colisão próton-núcleo no Institute for High Energy Physics pelo grupo de Y. Prockoshkin (Protvino perto de Moscou, URSS) e posteriormente criado em experimentos de colisão núcleo-núcleo. As colisões núcleo-núcleo produzem antinúcleos através da coalescência de antiprótons e antinêutrons criados nessas reações. Em 2011, o detector STAR relatou a observação de núcleos anti-hélio-4 criados artificialmente (partículas anti-alfa) (⁴
Ele
) de tais colisões.

O Espectrômetro Magnético Alfa da Estação Espacial Internacional registrou, até 2021, oito eventos que parecem indicar a detecção de anti-hélio-3.

Preservação

A antimatéria não pode ser armazenada em um recipiente feito de matéria comum porque a antimatéria reage com qualquer matéria que toque, aniquilando a si mesma e a uma quantidade igual do recipiente. A antimatéria na forma de partículas carregadas pode ser contida por uma combinação de campos elétricos e magnéticos, em um dispositivo chamado armadilha de Penning. Este dispositivo não pode, no entanto, conter antimatéria que consiste em partículas sem carga, para as quais são usadas armadilhas atômicas. Em particular, tal armadilha pode usar o momento dipolar (elétrico ou magnético) das partículas aprisionadas. Em alto vácuo, as partículas de matéria ou antimatéria podem ser aprisionadas e resfriadas com radiação laser levemente ressonante usando uma armadilha magneto-óptica ou armadilha magnética. Pequenas partículas também podem ser suspensas com pinças ópticas, usando um feixe de laser altamente focado.

Em 2011, os cientistas do CERN conseguiram preservar o anti-hidrogênio por aproximadamente 17 minutos. O recorde de armazenamento de antipartículas é atualmente mantido pelo experimento TRAP no CERN: os antiprótons foram mantidos em uma armadilha de Penning por 405 dias. Uma proposta foi feita em 2018 para desenvolver tecnologia de contenção avançada o suficiente para conter um bilhão de antiprótons em um dispositivo portátil para ser levado a outro laboratório para mais experimentos.

Custo

Os cientistas afirmam que a antimatéria é o material mais caro de se fabricar. Em 2006, Gerald Smith estimou que US$ 250 milhões poderiam produzir 10 miligramas de pósitrons (equivalente a US$ 25 bilhões por grama); em 1999, a NASA forneceu um valor de US$ 62,5 trilhões por grama de anti-hidrogênio. Isso ocorre porque a produção é difícil (muito poucos antiprótons são produzidos em reações em aceleradores de partículas) e porque há uma demanda maior por outros usos de aceleradores de partículas. De acordo com o CERN, custou algumas centenas de milhões de francos suíços para produzir cerca de 1 bilionésimo de grama (a quantidade usada até agora para colisões de partículas/antipartículas). Em comparação, para produzir a primeira arma atômica, o custo do Projeto Manhattan foi estimado em US$ 23 bilhões com a inflação em 2007.

Vários estudos financiados pelo NASA Institute for Advanced Concepts estão explorando se é possível usar pás magnéticas para coletar a antimatéria que ocorre naturalmente no cinturão de Van Allen da Terra e, finalmente, nos cinturões de gigantes gasosos, como Júpiter, esperançosamente a um custo menor por grama.

Usos

Médico

As reações matéria-antimatéria têm aplicações práticas em imagens médicas, como a tomografia por emissão de pósitrons (PET). No decaimento beta positivo, um nuclídeo perde carga positiva excedente emitindo um pósitron (no mesmo evento, um próton se torna um nêutron e um neutrino também é emitido). Nuclídeos com excesso de carga positiva são facilmente produzidos em um ciclotron e são amplamente gerados para uso médico. Os antiprótons também demonstraram em experimentos de laboratório que têm o potencial de tratar certos tipos de câncer, em um método semelhante usado atualmente para terapia de íons (prótons).

Combustível

A antimatéria isolada e armazenada pode ser usada como combustível para viagens interplanetárias ou interestelares como parte de uma propulsão de pulso nuclear catalisada por antimatéria ou outro foguete de antimatéria. Como a densidade de energia da antimatéria é maior do que a dos combustíveis convencionais, uma espaçonave movida a antimatéria teria uma relação impulso-peso mais alta do que uma espaçonave convencional.

Se as colisões matéria-antimatéria resultassem apenas na emissão de fótons, toda a massa restante das partículas seria convertida em energia cinética. A energia por unidade de massa (9×10¹⁶ J/kg) é cerca de 10 ordens de magnitude maior que as energias químicas e cerca de 3 ordens de magnitude maior que a energia potencial nuclear que pode ser liberado, hoje, usando fissão nuclear (cerca de 200 MeV por reação de fissão ou 8×10¹³ J/kg), e cerca de 2 ordens de magnitude maior do que os melhores resultados possíveis esperados da fusão (cerca de 6,3×10¹⁴ J/kg para a cadeia próton-próton). A reação de 1 kg de antimatéria com 1 kg de matéria produziria 1,8×10¹⁷ J (180 petajoules) de energia (pela relação massa-energia fórmula de equivalência, E=mc²), ou o equivalente aproximado de 43 megatons de TNT - um pouco menos que o rendimento da Tsar Bomba de 27.000 kg, a maior arma termonuclear já detonada.

Nem toda essa energia pode ser utilizada por qualquer tecnologia de propulsão realista devido à natureza dos produtos de aniquilação. Enquanto as reações elétron-pósitron resultam em fótons de raios gama, estes são difíceis de direcionar e usar para impulso. Nas reações entre prótons e antiprótons, sua energia é convertida em grande parte em píons neutros e carregados relativísticos. Os píons neutros decaem quase imediatamente (com um tempo de vida de 85 attossegundos) em fótons de alta energia, mas os píons carregados decaem mais lentamente (com um tempo de vida de 26 nanossegundos) e podem ser desviados magneticamente para produzir impulso.

Os píons carregados decaem em uma combinação de neutrinos (carregando cerca de 22% da energia dos píons carregados) e múons carregados instáveis (carregando cerca de 78% da energia do píon carregado), com os múons decaindo em uma combinação de elétrons, pósitrons e neutrinos (cf. decaimento do múon; os neutrinos desse decaimento carregam cerca de 2/3 da energia dos múons, o que significa que dos píons carregados originais, a fração total de sua energia convertida em neutrinos por uma rota ou outra seria cerca de 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74).

Armas

A antimatéria tem sido considerada um mecanismo de gatilho para armas nucleares. Um grande obstáculo é a dificuldade de produzir antimatéria em quantidades suficientes, e não há evidências de que isso seja viável. No entanto, a Força Aérea dos EUA financiou estudos da física da antimatéria na Guerra Fria e começou a considerar seu possível uso em armas, não apenas como gatilho, mas como o próprio explosivo.