Um bom motivo para o estudo da Antimatéria

Antes de mais nada, vamos tentar compreender melhor o que é a antimatéria. Primeiro, devemos entender o que é a equação de Schrödinger. Resumidamente: é a equação da mecânica quântica que descreve como o estado quântico de um sistema evolui com o tempo. Pense nela como sendo o equivalente quântico da segunda lei de Newton - que descreve o movimento dos corpos num sistema macroscópico. No entanto, um grande problema dela é que ela não é uma equação relativística.


Esse foi um trabalho para o britânico Paul Dirac, que construiu uma versão relativística da equação de Schrödinger que pudesse explicar o movimento do elétron. Após obter sua equação, Dirac notou que ela admitia duas possíveis soluções: uma de energia positiva e outra de energia negativa. Há uma convenção entre os físicos que diz que deve-se desconsiderar a solução de energia negativa. Dirac, no entanto, decidiu investigar as consequências dessa solução.


O que se seguiu foi que, com a solução de energia negativa, a equação previa uma partícula com as mesmas características do elétron, mas com a carga trocada, um elétron positivo. Nasceu, assim, o anti-elétron, um elétron de antimatéria, ou, como é mais conhecido, o pósitron. Em 1932, o pósitron foi observado experimentalmente por Anderson, provando as previsões de Dirac. Embora a antimatéria se comporte exatamente da mesma forma que a matéria, coisas estranhas acontecem quando há interação entre as duas.


Uma delas é o aniquilamento matéria-antimatéria. Em condições específicas na interação da matéria com a antimatéria, elas se aniquilam. Assim, as duas partículas são destruídas num processo de liberação de energia na forma de fótons, na qual a energia liberada na aniquilação depende das partículas aniquiladas. Mas como poderíamos utilizar isso na medicina? O caso mais famoso é a ressonância magnética.


Mas onde podemos encontrar a antimatéria na natureza? Na verdade, nesse momento você está sendo atingido por várias antipartículas. A antimatéria é muito presente no cotidiano - embora não em quantidades suficientes para vermos objetos macroscópicos de antimatéria. Um exemplo onde pode-se encontrar antimatéria no cotidiano são nos raios cósmicos (figura 1 [1]). Resumidamente, raios cósmicos são partículas altamente energéticas que vêm do espaço e atingem a atmosfera terrestre. São prótons, elétrons, neutrinos, mas também contém antiprótons e pósitrons por exemplo.

Figura 1: Luz Cherenkov causada por raios gama cósmicos.


Outra forma de se conseguir antimatéria é com elementos radioativos. Essa é a maneira que torna possível o uso dessas partículas na medicina. Entre os radioativos, há os elementos com núcleo emissor de pósitron, que são os núcleos com mais prótons do que nêutrons. Com essa desigualdade, há a instabilidade do núcleo. Para que o sistema fique estável, os prótons em excesso precisam decair: se tornar partículas mais leves. É esse processo que vamos utilizar nesse texto. O decaimento do próton segue a equação[2]:

Onde p é um próton, n é um nêutron, e+ é um pósitron e v é um neutrino. Isso significa que o próton decai formando um nêutron, um pósitron e um neutrino. Mas poderíamos utilizar isso na medicina? Sim, com as tomografias PET Scan. A sigla PET vem do inglês e significa Tomografia por Emissão de Pósitrons e os elementos radioativos usados nele são os radiofármacos.


Na produção de radiofármacos, utiliza-se um acelerador de partículas. Um feixe de prótons é acelerado e utilizado para bombardear um elemento químico e esse bombardeamento faz com que o elemento químico se torne um isótopo radioativo, ou seja, entra em um processo de decaimento para se tornar estável. Mas não se preocupe! Esses isótopos são escolhidos de maneira que o dano à saúde pela radiação emitida por eles durante um exame seja mínimo ou inexistente. Em seguida, escolhe-se o isótopo de acordo com o tecido que se quer estudar, os mais utilizados são os isótopos orgânicos[2]: 13N, 15O e 18F. Depois que o radiofármaco está pronto ele é levado para os hospitais.

Tabela 1[2]: Radionuclídeos (isótopos radioativos) emissores de pósitrons mais usados na produção de radiofármacos. Sua vida média (T1/2) corresponde ao tempo necessário para que a quantidade de isótopo seja reduzida a sua metade. A energia E corresponde a energia cinética do pósitron emitido.


Durante o exame, o paciente toma o radiofármaco por via oral ou intravenosa, a substância percorre a corrente sanguínea e se aloja no tecido do órgão com maior afinidade. Enquanto está no organismo do paciente, o radiofármaco emite pósitrons que são aniquilados com elétrons do organismo, resultando na emissão fótons de alta energia. O aparelho faz a leitura desses fótons e monta a imagem do exame (figura 2[3]). Hoje em dia, há radiofármacos feitos para terem maior afinidade com células cancerígenas. Esse avanço abriu as portas para um acompanhamento mais detalhado do desenvolvimento dos tumores e uma grande ajuda na luta contra o câncer.

Figura 2: imagem de um exame de tomografia por emissão de pósitrons.


Referências bibliográficas


[1] Explosão cósmica épica detectada através de partículas mais rápidas que a luz. disponivel em <http://terrarara.com.br/terrarara/fisica-teorica/cosmologia/explosao-cosmica-epica-detectada-atraves-de-particulas-mais-rapidas-que-a-luz/> acesso junho de 2020.


[2] MACHADO, A. C. B. et al. Usando a antimatéria na medicina moderna. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 28, 2006.


[3] TOMOGRAFIA POR EMISSÃO DE POSITRÕES. In: WIKIPÉDIA, a enciclopédia livre. Flórida: Wikimedia Foundation, 2019. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Tomografia_por_emiss%C3%A3o_de_positr%C3%B5es&oldid=56510530>. Acesso em: 20 out. 2019.