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Articulo de referencia

Antimateria

Fotografía tomada con una cámara de niebla del primer positrón observado , 2 de agosto de 1932. En física moderna , la antimateria se define como materia compuesta por las antip...

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Fotografía tomada con una cámara de niebla del primer positrón observado , 2 de agosto de 1932.

En física moderna , la antimateria se define como materia compuesta por las antipartículas (o "compañeras") de las partículas correspondientes en la materia "ordinaria", y puede considerarse como materia con cargas y paridad invertidas, o que viaja hacia atrás en el tiempo (véase la simetría CPT ). La antimateria se produce en procesos naturales como las colisiones de rayos cósmicos y algunos tipos de desintegración radiactiva . Las antipartículas también pueden generarse en aceleradores de partículas , pero solo una pequeña fracción de estas se ha logrado unir experimentalmente para formar antiátomos. La producción artificial total ha sido de tan solo unos pocos nanogramos . [ 1 ] Nunca se ha logrado reunir una cantidad macroscópica de antimateria debido al costo extremo y la dificultad de su producción y manipulación. No obstante, la antimateria es un componente esencial de aplicaciones ampliamente disponibles relacionadas con la desintegración beta , como la tomografía por emisión de positrones , la radioterapia [ 2 ] y la imagen industrial . [ 3 ]

En teoría, una partícula y su antipartícula (por ejemplo, un protón y un antiprotón ) tienen la misma masa , pero carga eléctrica opuesta y otras diferencias en los números cuánticos .

Una colisión entre cualquier partícula y su antipartícula conduce a su aniquilación mutua , dando lugar a diferentes proporciones de fotones intensos ( rayos gamma ), neutrinos y, a veces, pares partícula - antipartícula menos masivos. La mayor parte de la energía total de la aniquilación emerge en forma de radiación ionizante . Si hay materia circundante, el contenido energético de esta radiación será absorbido y convertido en otras formas de energía, como calor o luz. La cantidad de energía liberada suele ser proporcional a la masa total de la materia y la antimateria que colisionan, de acuerdo con la ecuación de equivalencia masa-energía , E = mc² . [ 4 ]

Las antipartículas se unen entre sí para formar antimateria, al igual que las partículas ordinarias se unen para formar materia normal. Por ejemplo, un positrón (la antipartícula del electrón ) y un antiprotón (la antipartícula del protón) pueden formar un átomo de antihidrógeno . Los núcleos de antihelio se han producido artificialmente, aunque con dificultad, y son los antinúcleos más complejos observados hasta ahora. [ 5 ] Los principios físicos indican que son posibles núcleos atómicos de antimateria complejos, así como antiátomos correspondientes a los elementos químicos conocidos.

Hay fuertes evidencias de que el universo observable está compuesto casi en su totalidad de materia ordinaria, en lugar de una mezcla equitativa de materia y antimateria. [ 6 ] Esta asimetría de materia y antimateria en el universo visible es uno de los grandes problemas sin resolver en física . [ 7 ] El proceso por el cual se hipotetiza que ocurrió esta desigualdad entre partículas de materia y antimateria se llama bariogénesis .

Definiciones

Las partículas de antimateria tienen la misma carga que las partículas de materia, pero de signo opuesto. Es decir, un antiprotón tiene carga negativa y un antielectrón ( positrón ) tiene carga positiva. Los neutrones no tienen carga neta, pero sus quarks constituyentes sí. Los protones y neutrones tienen un número bariónico de +1, mientras que los antiprotones y antineutrones tienen un número bariónico de –1. De manera similar, los electrones tienen un número leptónico de +1, mientras que el de los positrones es –1. Cuando una partícula y su antipartícula correspondiente colisionan, ambas se convierten en energía. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

El término francés para "hecho de o perteneciente a la antimateria", contraterrene , dio origen a la sigla "CT" y al término de ciencia ficción seetee , [ 11 ] como se usa en novelas como Seetee Ship . [ 12 ]

Historia

Conceptual

La idea de la materia negativa aparece en teorías de la materia pasadas que ahora han sido abandonadas. Utilizando la otrora popular teoría del vórtice de la gravedad , William Hicks discutió la posibilidad de materia con gravedad negativa en la década de 1880. Entre las décadas de 1880 y 1890, Karl Pearson propuso la existencia de "chorros" [ 13 ] y sumideros del flujo del éter . Los chorros representaban la materia normal y los sumideros, la materia negativa. La teoría de Pearson requería una cuarta dimensión para que el éter fluyera desde y hacia ella. [ 14 ]

El término antimateria fue utilizado por primera vez por Arthur Schuster en dos cartas bastante extravagantes a Nature en 1898, [ 15 ] en las que acuñó el término. Hipotetizó la existencia de antiátomos, así como de sistemas solares completos de antimateria, y discutió la posibilidad de que la materia y la antimateria se aniquilaran mutuamente. Las ideas de Schuster no constituían una propuesta teórica seria, sino mera especulación, y, al igual que las ideas anteriores, diferían del concepto moderno de antimateria en que poseían gravedad negativa . [ 16 ]

La teoría moderna de la antimateria comenzó en 1928 con un artículo [ 17 ] de Paul Dirac . Dirac se percató de que su versión relativista de la ecuación de onda de Schrödinger para electrones predecía la posibilidad de antielectrones . Aunque Dirac había sentado las bases para la existencia de estos "antielectrones", inicialmente no se percató de las implicaciones contenidas en su propia ecuación. Reconoció abiertamente el mérito de esta intuición a J. Robert Oppenheimer , cuyo artículo fundamental "Sobre la teoría de electrones y protones" (14 de febrero de 1930) se basó en la ecuación de Dirac y argumentó a favor de la existencia de un electrón con carga positiva (un positrón), que, como contraparte del electrón, debería tener la misma masa que este. Esto significaba que no podía ser, como Dirac había sugerido, un protón. Dirac postuló además la existencia de antimateria en un artículo de 1931 en el que se refería al positrón como un "antielectrón". [ 18 ] [ 19 ] Estos fueron descubiertos por Carl D. Anderson en 1932 y denominados positrones por "electrón positivo". Aunque Dirac no utilizó el término antimateria, su uso se deriva de forma natural de antielectrones, antiprotones, etc. [ 20 ]

La interpretación de Feynman-Stueckelberg establece que las antipartículas obedecen las mismas ecuaciones de movimiento que las partículas regulares, pero con la carga, la paridad y el tiempo invertidos. Esto permite analizar las antipartículas utilizando diagramas de Feynman con el tiempo invertido. [ 21 ]

Descubrimientos de partículas

Tras el descubrimiento del positrón por Carl Anderson en 1932, transcurrieron 22 años antes de que se encontrara la siguiente partícula de antimateria. [ 22 ] En 1955 , Chamberlain , Segrè , Wiegand e Ypsilantis publicaron su descubrimiento del antiprotón y en 1956 , Cork , Lambertson, Piccioni y Wenzel descubrieron el antineutrón . Ambos equipos utilizaron el Bevatron en Berkeley, California . [ 23 ]

Antigalaxias

El descubrimiento de la antimateria dio lugar a especulaciones, tanto científicas como de ciencia ficción, sobre cuerpos astronómicos de antimateria: antiplanetas , antiestrellas y antigalaxias . Leon Lederman, de la Universidad de Columbia, incluso especuló con la posibilidad de que los antiplanetas albergaran vida inteligente. La idea de las antigalaxias también se utilizó para explicar el problema de la asimetría bariónica : la física de partículas del modelo del Big Bang no puede explicar por qué nuestro universo tiene más materia que antimateria. Maurice Goldhaber sugirió que nuestro universo está compuesto de materia en lugar de antimateria porque el único universo de cada tipo se dividió al principio del tiempo. En la década de 1970, el problema de la asimetría se aceptó como inexplicable y la posibilidad de las antigalaxias se abandonó en gran medida. [ 24 ]

Notación

Una forma de denotar una antipartícula es añadiendo una barra sobre el símbolo de la partícula. Por ejemplo, el protón y el antiprotón se denotan como p y p , respectivamente. La misma regla se aplica si se quisiera referirse a una partícula por sus componentes constituyentes. Un protón está formado por quarks u u d , por lo que un antiprotón debe estar formado por antiquarks u u d . Otra convención es distinguir las partículas por su carga eléctrica positiva y negativa . Así, el electrón y el positrón se denotan simplemente como e −y e +respectivamente. Sin embargo, para evitar confusiones, las dos convenciones nunca se mezclan.

Propiedades

No existe diferencia en el comportamiento gravitacional de la materia y la antimateria. En otras palabras, la antimateria cae hacia abajo al ser soltada, no hacia arriba. Esto se confirmó con un gas tenue y muy frío compuesto por miles de átomos de antihidrógeno confinados en un conducto vertical rodeado de bobinas electromagnéticas superconductoras. Estas bobinas crean una barrera magnética que impide que la antimateria entre en contacto con la materia y se aniquile. Los investigadores debilitaron gradualmente los campos magnéticos y detectaron los antiátomos mediante dos sensores a medida que escapaban y se aniquilaban. La mayoría de los antiátomos salieron por la abertura inferior, y solo una cuarta parte por la superior. [ 25 ]

Existen razones teóricas convincentes para creer que, aparte del hecho de que las antipartículas tienen signos diferentes en todas las cargas (como las cargas eléctricas y bariónicas), la materia y la antimateria tienen exactamente las mismas propiedades. [ 26 ] [ 27 ] Esto significa que una partícula y su antipartícula correspondiente deben tener masas y tiempos de desintegración idénticos (si son inestables). También implica que, por ejemplo, una estrella compuesta de antimateria (una "antiestrella") brillará igual que una estrella ordinaria. [ 28 ] Esta idea fue probada experimentalmente en 2016 por el experimento ALPHA , que midió la transición entre los dos estados de energía más bajos del antihidrógeno . Los resultados, que son idénticos a los del hidrógeno, confirmaron la validez de la mecánica cuántica para la antimateria. [ 29 ] [ 30 ]

Origen y asimetría

Un vídeo que muestra cómo los científicos utilizaron el detector de rayos gamma del telescopio espacial Fermi para descubrir explosiones de antimateria procedentes de tormentas eléctricas.
Se registran aproximadamente 500 destellos de rayos gamma terrestres al día. Los puntos rojos muestran los detectados por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi en 2010. Las áreas azules indican dónde pueden producirse rayos que generen destellos de rayos gamma terrestres .

La mayoría de las cosas observables desde la Tierra parecen estar hechas de materia en lugar de antimateria. Si existieran regiones del espacio dominadas por antimateria, los rayos gamma producidos en las reacciones de aniquilación a lo largo del límite entre las regiones de materia y antimateria serían detectables. [ 31 ]

Las antipartículas se crean en todas partes del universo donde ocurren colisiones de partículas de alta energía. Los rayos cósmicos de alta energía que impactan la atmósfera terrestre (o cualquier otra materia en el Sistema Solar ) producen cantidades minúsculas de antipartículas en los chorros de partículas resultantes , que se aniquilan inmediatamente al entrar en contacto con la materia cercana. De manera similar, pueden producirse en regiones como el centro de la Vía Láctea y otras galaxias, donde ocurren eventos celestes muy energéticos (principalmente la interacción de chorros relativistas con el medio interestelar ). La presencia de la antimateria resultante es detectable por los dos rayos gamma producidos cada vez que los positrones se aniquilan con la materia cercana. La frecuencia y la longitud de onda de los rayos gamma indican que cada uno transporta 511 keV de energía (es decir, la masa en reposo de un electrón multiplicada por c² ) . 

Las observaciones del satélite INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea podrían explicar el origen de una gigantesca nube de antimateria que rodea el Centro Galáctico. Las observaciones muestran que la nube es asimétrica y coincide con el patrón de los sistemas binarios de rayos X (sistemas estelares binarios que contienen agujeros negros o estrellas de neutrones), principalmente en un lado del Centro Galáctico. Si bien el mecanismo no se comprende completamente, es probable que involucre la producción de pares electrón-positrón, a medida que la materia ordinaria gana energía cinética al caer en un remanente estelar . [ 32 ] [ 33 ]

Es posible que existan cantidades relativamente grandes de antimateria en galaxias lejanas debido a la inflación cósmica en el tiempo primordial del universo. Se espera que las galaxias de antimateria, de existir, tengan la misma composición química y los mismos espectros de absorción y emisión que las galaxias de materia normal, y que sus objetos astronómicos sean observacionalmente idénticos, lo que dificulta su distinción. [ 34 ] La NASA está intentando determinar si existen tales galaxias buscando firmas de rayos X y rayos gamma de eventos de aniquilación en supercúmulos en colisión . [ 35 ]

En octubre de 2017, científicos que trabajaban en el experimento BASE del CERN informaron de una medición del momento magnético del antiprotón con una precisión de 1,5 partes por mil millones. [ 36 ] [ 37 ] Esto concuerda con la medición más precisa del momento magnético del protón (también realizada por BASE en 2014), lo que respalda la hipótesis de la simetría CPT . Esta medición representa la primera vez que se conoce una propiedad de la antimateria con mayor precisión que la propiedad equivalente en la materia.

La interferometría cuántica de antimateria se demostró por primera vez en 2018 en el Laboratorio de Positrones (L-NESS) de Rafael Ferragut en Como ( Italia ), por un grupo liderado por Marco Giammarchi. [ 38 ]

Producción natural

Los positrones se producen naturalmente en las desintegraciones β + de isótopos radiactivos naturales (por ejemplo, potasio-40 ) y en las interacciones de cuantos gamma (emitidos por núcleos radiactivos) con la materia. Los antineutrinos son otro tipo de antipartícula creada por la radiactividad natural (desintegración β− ) . Muchos tipos diferentes de antipartículas también son producidos por (y contenidos en) los rayos cósmicos . En enero de 2011, una investigación de la Sociedad Astronómica Estadounidense descubrió antimateria (positrones) originándose sobre nubes de tormenta ; los positrones se producen en destellos de rayos gamma terrestres creados por electrones acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes. [ 39 ] [ 40 ] También se ha encontrado la existencia de antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra por el módulo PAMELA , [ 41 ] [ 42 ] y cinturones de antiprotones similares pueden existir alrededor de Júpiter, Saturno, Neptuno y Urano. [ 43 ] [ 44 ]

Las antipartículas también se producen en cualquier entorno con una temperatura suficientemente alta (energía media de las partículas mayor que el umbral de producción de pares ). Se hipotetiza que durante el período de bariogénesis, cuando el universo era extremadamente caliente y denso, la materia y la antimateria se producían y aniquilaban continuamente. La presencia de materia remanente y la ausencia de antimateria remanente detectable, [ 45 ] se denomina asimetría bariónica . El mecanismo exacto que produjo esta asimetría durante la bariogénesis sigue siendo un problema sin resolver. Una de las condiciones necesarias para esta asimetría es la violación de la simetría CP , que se ha observado experimentalmente en la interacción débil .

Observaciones recientes indican que los agujeros negros y las estrellas de neutrones producen enormes cantidades de plasma de positrones y electrones a través de los chorros. [ 46 ] [ 47 ]

Observación en rayos cósmicos

Los experimentos satelitales han encontrado evidencia de positrones y algunos antiprotones en los rayos cósmicos primarios, que representan menos del 1% de las partículas en dichos rayos. Esta antimateria no puede haberse creado completamente en el Big Bang, sino que se atribuye a procesos cíclicos a altas energías. Por ejemplo, los pares electrón-positrón pueden formarse en púlsares , a medida que el ciclo de rotación de una estrella de neutrones magnetizada desprende pares electrón-positrón de la superficie estelar. Allí, la antimateria forma un viento que choca contra la materia eyectada de las supernovas progenitoras. Este proceso de meteorización tiene lugar cuando "el viento relativista frío y magnetizado lanzado por la estrella golpea la materia eyectada que se expande de forma no relativista, formándose un sistema de ondas de choque en el impacto: la onda externa se propaga en la materia eyectada, mientras que una onda de choque inversa se propaga de vuelta hacia la estrella". [ 48 ] La eyección de materia en la onda de choque externa y la posterior producción de antimateria en la onda de choque inversa son pasos en un ciclo de meteorología espacial.

Los resultados preliminares del espectrómetro magnético alfa ( AMS-02 ) actualmente en funcionamiento a bordo de la Estación Espacial Internacional muestran que los positrones en los rayos cósmicos llegan sin direccionalidad y con energías que van desde 10 GeV hasta 250  GeV. En septiembre de 2014, se presentaron nuevos resultados con casi el doble de datos en una charla en el CERN y se publicaron en Physical Review Letters. [ 49 ] [ 50 ] Se informó una nueva medición de la fracción de positrones hasta 500  GeV, mostrando que la fracción de positrones alcanza un máximo de aproximadamente el 16% del total de eventos electrón+positrón, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500  GeV, la relación de positrones a electrones comienza a disminuir nuevamente. El flujo absoluto de positrones también comienza a disminuir antes de los 500  GeV, pero alcanza su máximo en energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan su máximo alrededor de 10 GeV. [ 51 ] Se ha sugerido que estos resultados de interpretación se deben a la producción de positrones en eventos de aniquilación de partículas masivas de materia oscura . [ 52 ]

Los antiprotones de rayos cósmicos también tienen una energía mucho mayor que sus contrapartes de materia ordinaria (protones). Llegan a la Tierra con una energía máxima característica de 2  GeV, lo que indica que su producción se produce mediante un proceso fundamentalmente diferente al de los protones de rayos cósmicos, que en promedio tienen solo una sexta parte de la energía. [ 53 ]

En los rayos cósmicos se busca continuamente núcleos de antimateria más grandes, como los núcleos de antihelio (es decir, partículas anti-alfa). La detección de antihelio natural podría implicar la existencia de grandes estructuras de antimateria, como una antiestrella. Un prototipo del AMS-02 , denominado AMS-01 , fue enviado al espacio a bordo del transbordador espacial Discovery en la misión STS-91 en junio de 1998. Al no detectar ningún antihelio , el AMS-01 estableció un límite superior de 1,1 × 10⁻⁶ para la relación de flujo de antihelio a helio . [ 54 ] En diciembre de 2016, el AMS-02 reveló que había descubierto algunas señales consistentes con núcleos de antihelio entre varios miles de millones de núcleos de helio. El resultado aún debe verificarse, y a partir de 2017, el equipo está tratando de descartar la contaminación. [ 55 ]

Producción artificial

Positrones

En noviembre de 2008 , se informó [ 56 ] que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore había generado positrones en grandes cantidades. Un láser impulsó electrones a través de los núcleos de un blanco de oro , lo que provocó que los electrones incidentes emitieran cuantos de energía que se desintegraron en materia y antimateria. Se detectaron positrones a una tasa y densidad mayores que las jamás detectadas en un laboratorio. Experimentos anteriores habían generado cantidades menores de positrones utilizando láseres y blancos de papel; simulaciones más recientes demostraron que pulsos cortos de láseres ultraintensos y oro de un milímetro de espesor constituyen una fuente mucho más eficaz. [ 57 ]

En 2023, una colaboración liderada por investigadores de la Universidad de Oxford que trabajaban con la instalación de Alta Radiación a Materiales (HRMT) [ 58 ] en el CERN [ 59 ] informó sobre la producción del primer haz de plasma de electrones y positrones . El haz demostró el mayor rendimiento de positrones logrado hasta ahora en un entorno de laboratorio. El experimento empleó el haz de protones de 440 GeV, con3×1011{\displaystyle 3\times 10^{11}}protones, del Super Sincrotrón de Protones , e irradiaron un convertidor de partículas compuesto de carbono y tantalio . Esto produjo un total1.5×1013{\displaystyle 1.5\times 10^{13}}pares electrón-positrón mediante un proceso de cascada de partículas . Los haces de pares producidos tienen un volumen que llena múltiples esferas de Debye y, por lo tanto, son capaces de mantener oscilaciones colectivas del plasma. [ 59 ]

Antiprotones, antineutrones y antinúcleos

La existencia del antiprotón fue confirmada experimentalmente en 1955 por los físicos Emilio Segrè y Owen Chamberlain de la Universidad de California, Berkeley , por lo que recibieron el Premio Nobel de Física de 1959. [ 60 ] Un antiprotón consta de dos antiquarks arriba y un antiquark abajo ( u u d ). Las propiedades del antiprotón que se han medido coinciden con las propiedades correspondientes del protón, con la excepción de que el antiprotón tiene carga eléctrica y momento magnético opuestos a los del protón. Poco después, en 1956, el antineutrón fue descubierto en colisiones protón-protón en el Bevatron ( Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ) por Bruce Cork y sus colegas. [ 61 ]

Además de los antibariones , se han creado antinúcleos compuestos por múltiples antiprotones y antineutrones ligados. Estos se producen típicamente a energías demasiado altas para formar átomos de antimateria (con positrones ligados en lugar de electrones). En 1965, un grupo de investigadores liderado por Antonino Zichichi informó sobre la producción de núcleos de antideuterio en el Sincrotrón de Protones del CERN . [ 62 ] Casi al mismo tiempo, un grupo de físicos estadounidenses informó sobre observaciones de núcleos de antideuterio en el Sincrotrón de Gradiente Alterno del Laboratorio Nacional de Brookhaven . [ 63 ]

átomos de antihidrógeno

En 1995, el CERN anunció que había logrado crear nueve átomos de antihidrógeno calientes mediante la implementación del concepto SLAC / Fermilab durante el experimento PS210 . El experimento se realizó utilizando el Anillo de Antiprotones de Baja Energía (LEAR) y fue dirigido por Walter Oelert y Mario Macri. [ 64 ] Fermilab pronto confirmó los hallazgos del CERN al producir aproximadamente 100 átomos de antihidrógeno en sus instalaciones. Los átomos de antihidrógeno creados durante PS210 y experimentos posteriores (tanto en el CERN como en Fermilab) eran extremadamente energéticos y no eran adecuados para su estudio. Para superar este obstáculo y obtener una mejor comprensión del antihidrógeno, se formaron dos colaboraciones a finales de la década de 1990, a saber, ATHENA y ATRAP .

En 1999, el CERN activó el Decelerador de Antiprotones , un dispositivo capaz de desacelerar antiprotones desde3,5 GeV  a5,3  MeV  : todavía demasiado "caliente" para producir antihidrógeno efectivo para estudios, pero un gran salto adelante. A finales de 2002, el proyecto ATHENA anunció que habían creado el primer antihidrógeno "frío" del mundo. [ 65 ] El proyecto ATRAP publicó resultados similares muy poco después. [ 66 ] Los antiprotones utilizados en estos experimentos se enfriaron desacelerándolos con el Desacelerador de Antiprotones, haciéndolos pasar a través de una lámina delgada de papel de aluminio y finalmente capturándolos en una trampa de Penning-Malmberg . [ 67 ] El proceso de enfriamiento general es viable, pero altamente ineficiente; aproximadamente 25  millones de antiprotones salen del Desacelerador de Antiprotones y aproximadamente 25 000 llegan a la trampa de Penning-Malmberg, lo que es aproximadamente 1/1000 o 0,1 % de la cantidad original.

Los antiprotones aún están calientes cuando quedan atrapados inicialmente. Para enfriarlos aún más, se mezclan en un plasma de electrones. Los electrones en este plasma se enfrían mediante radiación ciclotrónica y luego enfrían simpáticamente a los antiprotones mediante colisiones de Coulomb . Finalmente, los electrones se eliminan mediante la aplicación de campos eléctricos de corta duración, dejando los antiprotones con energías menores que100 meV  . [ 68 ] Mientras los antiprotones se enfrían en la primera trampa, una pequeña nube de positrones es capturada del sodio radiactivo en un acumulador de positrones tipo Surko. [ 69 ] Esta nube es luego recapturada en una segunda trampa cerca de los antiprotones. Manipulaciones de los electrodos de la trampa inclinan los antiprotones hacia el plasma de positrones, donde algunos se combinan con antiprotones para formar antihidrógeno. Este antihidrógeno neutro no se ve afectado por los campos eléctricos y magnéticos utilizados para atrapar los positrones y antiprotones cargados, y en unos pocos microsegundos el antihidrógeno golpea las paredes de la trampa, donde se aniquila. Se han producido cientos de millones de átomos de antihidrógeno de esta manera.

En 2005, ATHENA se disolvió y algunos de sus antiguos miembros (junto con otros) formaron la Colaboración ALPHA , que también tiene su sede en el CERN. El objetivo final de este proyecto es comprobar la simetría CPT mediante la comparación de los espectros atómicos del hidrógeno y el antihidrógeno (véase la serie espectral del hidrógeno ). [ 70 ]

La mayoría de las pruebas de alta precisión de las propiedades del antihidrógeno, tan buscadas, solo podían realizarse si el antihidrógeno se atrapaba, es decir, se mantenía en su lugar durante un tiempo relativamente largo. Si bien los átomos de antihidrógeno son eléctricamente neutros, los espines de sus partículas componentes producen un momento magnético . Estos momentos magnéticos pueden interactuar con un campo magnético no homogéneo; algunos átomos de antihidrógeno pueden ser atraídos a un mínimo magnético. Dicho mínimo puede crearse mediante una combinación de campos espejo y multipolares. [ 71 ] El antihidrógeno puede ser atrapado en una trampa de mínimo magnético (mínimo-B); en noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que había atrapado 38 átomos de antihidrógeno durante aproximadamente un sexto de segundo. [ 72 ] [ 73 ] Esta fue la primera vez que se había atrapado antimateria neutra.

El 26 de abril de 2011, ALPHA anunció que había atrapado 309 átomos de antihidrógeno, algunos durante hasta 1000 segundos (unos 17 minutos). Este fue el período más largo jamás alcanzado para atrapar antimateria neutra. [ 74 ] ALPHA ha utilizado estos átomos atrapados para iniciar una investigación sobre las propiedades espectrales del antihidrógeno. [ 75 ]

En 2016, se construyó un nuevo decelerador y enfriador de antiprotones llamado ELENA (decelerador de antiprotones de energía extra baja). Este  dispositivo toma los antiprotones del decelerador de antiprotones y los enfría a 90 keV, una temperatura suficientemente baja para su estudio. Su funcionamiento se basa en el uso de alta energía y la aceleración de las partículas dentro de la cámara. Se pueden capturar más de cien antiprotones por segundo, lo que supone un gran avance, pero aún se necesitarían varios miles de años para producir un nanogramo de antimateria.

El factor limitante más importante en la producción a gran escala de antimateria es la disponibilidad de antiprotones. Datos recientes publicados por el CERN indican que, cuando estén en pleno funcionamiento, sus instalaciones son capaces de producir diez millones de antiprotones por minuto. [ 76 ] Suponiendo una conversión del 100% de antiprotones a antihidrógeno, se necesitarían 100  mil millones de años para producir 1  gramo o 1 mol de antihidrógeno (aproximadamente6,02 × 10²³ átomos de antihidrógeno). Sin embargo, el CERN solo produce el 1 % de la antimateria que produce Fermilab, y ninguno de los dos está diseñado para producirla. Según Gerald Jackson, utilizando la tecnología que ya se emplea hoy en día , somos capaces de producir y capturar 20 gramos de partículas de antimateria al año a un coste anual de 670 millones de dólares por instalación. [ 77 ] [ 78 ]

Antihelio

Núcleos de antihelio-3 ( 3Los núcleos de helio -4 (es decir, dos antiprotones y un antineutrón) se observaron por primera vez en la década de 1970 en experimentos de colisión protón-núcleo en el Instituto de Física de Altas Energías por el grupo de Y. Prockoshkin (Protvino, cerca de Moscú, URSS) [ 79 ] y posteriormente se crearon en experimentos de colisión núcleo-núcleo. [ 80 ] Las colisiones núcleo-núcleo producen antinúcleos a través de la coalescencia de antiprotones y antineutrones creados en estas reacciones. En 2011, el detector STAR informó de la observación de núcleos de antihelio-4 (partículas anti-alfa) creados artificialmente ( 4Él ) de tales colisiones. [ 81 ]

El espectrómetro magnético alfa de la Estación Espacial Internacional ha registrado, hasta 2021, ocho eventos que parecen indicar la detección de antihelio-3. [ 82 ] [ 55 ]

Preservación

La antimateria no puede almacenarse en un contenedor de materia ordinaria porque reacciona con cualquier materia que toque, aniquilándose a sí misma y una cantidad igual del contenedor. La antimateria en forma de partículas cargadas puede contenerse mediante una combinación de campos eléctricos y magnéticos , en un dispositivo llamado trampa de Penning . Sin embargo, este dispositivo no puede contener antimateria que consiste en partículas sin carga, para lo cual se utilizan trampas atómicas . En particular, dicha trampa puede utilizar el momento dipolar ( eléctrico o magnético ) de las partículas atrapadas. En alto vacío , las partículas de materia o antimateria pueden atraparse y enfriarse con radiación láser ligeramente fuera de resonancia utilizando una trampa magnetoóptica o magnética . Las partículas pequeñas también pueden suspenderse con pinzas ópticas , utilizando un haz láser altamente enfocado. [ 83 ] El récord de almacenamiento de antipartículas lo ostenta actualmente el experimento TRAP en el CERN: los antiprotones se mantuvieron en una trampa de Penning durante 405 días. [ 84 ] Científicos del CERN han demostrado el transporte de 92 antiprotones a una distancia de aproximadamente cinco millas utilizando BASE-STEP, un aparato criogénico de trampa de Penning montado en un camión de 1000 kg (2200 lb) , allanando el camino para envíos prácticos de antimateria a otras instituciones para su estudio. [ 85 ] [ 86 ]  

Costo

Los científicos afirman que la antimateria es el material más caro de producir. [ 87 ] En 2006, Gerald Smith estimó  que se podrían producir 10 miligramos de positrones con 250 millones de dólares [ 88 ] (equivalente a 25  mil millones de dólares por gramo); en 1999, la NASA dio una cifra de 62,5  billones de dólares por gramo de antihidrógeno. [ 87 ] Esto se debe a que la producción es difícil (solo se producen muy pocos antiprotones en reacciones en aceleradores de partículas) y a que hay una mayor demanda para otros usos de los aceleradores de partículas . Según el CERN, ha costado unos cientos de millones de francos suizos producir aproximadamente una  milmillonésima de gramo (la cantidad utilizada hasta ahora para colisiones partícula/antipartícula). [ 89 ] En comparación, para producir la primera arma atómica, el costo del Proyecto Manhattan se estimó en 23  mil millones de dólares con la inflación durante 2007. [ 90 ]

Varios estudios financiados por NASA Innovative Advanced Concepts están explorando si sería posible utilizar recolectores magnéticos para recoger la antimateria que se produce de forma natural en el cinturón de Van Allen de la Tierra y, en última instancia, en los cinturones de gigantes gaseosos como Júpiter , idealmente a un menor coste por gramo. [ 91 ]

Usos

Médico

Un sistema PET/CT

Las reacciones materia-antimateria tienen aplicaciones prácticas en imágenes médicas, como la tomografía por emisión de positrones (PET). En la desintegración beta positiva , un nucleido pierde el exceso de carga positiva emitiendo un positrón (en el mismo evento, un protón se convierte en un neutrón y también se emite un neutrino ). Los nucleidos con exceso de carga positiva se fabrican fácilmente en un ciclotrón y se generan ampliamente para uso médico. También se ha demostrado en experimentos de laboratorio que los antiprotones tienen el potencial de tratar ciertos tipos de cáncer, mediante un método similar al que se utiliza actualmente en la terapia con iones (protones). [ 92 ]

Combustible

La antimateria aislada y almacenada podría utilizarse como combustible para viajes interplanetarios o interestelares [ 93 ] como parte de un sistema de propulsión nuclear por pulsos catalizada por antimateria u otro cohete de antimateria . Dado que la densidad energética de la antimateria es mayor que la de los combustibles convencionales, una nave espacial propulsada por antimateria tendría una mayor relación empuje-peso que una nave espacial convencional.

Si las colisiones materia-antimateria resultaran únicamente en la emisión de fotones , toda la masa en reposo de las partículas se convertiría en energía cinética . La energía por unidad de masa (9 × 10 16  J/kg ) es aproximadamente 10 órdenes de magnitud mayor que las energías químicas , [ 94 ] y aproximadamente 3 órdenes de magnitud mayor que la energía potencial nuclear que se puede liberar, hoy en día, mediante la fisión nuclear (aproximadamente200  MeV por reacción de fisión [ 95 ] o8 × 10 13  J/kg ), y aproximadamente 2 órdenes de magnitud mayores que los mejores resultados posibles esperados de la fusión (aproximadamente6,3 × 10 14  J/kg para la cadena protón-protón ). La reacción de1 kg  de antimateria con1  kg de materia produciría1,8 × 10¹⁷ J  (180 petajulios ) de energía (según la fórmula de equivalencia masa-energía , E = mc² ), o el equivalente aproximado de 43 megatones de TNT, ligeramente inferior al rendimiento de la Tsar Bomba de  27.000 kg , el arma termonuclear más grande jamás detonada.

No toda esa energía puede ser utilizada por ninguna tecnología de propulsión realista debido a la naturaleza de los productos de aniquilación. Si bien las reacciones electrón-positrón dan como resultado fotones de rayos gamma, estos son difíciles de dirigir y usar para generar empuje. En las reacciones entre protones y antiprotones, su energía se convierte en gran parte en piones relativistas neutros y cargados . Los piones neutros se desintegran casi inmediatamente (con una vida media de 85 attosegundos ) en fotones de alta energía, pero los piones cargados se desintegran más lentamente (con una vida media de 26 nanosegundos) y pueden ser desviados magnéticamente para producir empuje .

Los piones cargados finalmente se desintegran en una combinación de neutrinos (que transportan aproximadamente el 22% de la energía de los piones cargados) y muones cargados inestables (que transportan aproximadamente el 78% de la energía de los piones cargados), y los muones luego se desintegran en una combinación de electrones, positrones y neutrinos (cf. desintegración del muón ; los neutrinos de esta desintegración transportan aproximadamente 2/3 de la energía de los muones, lo que significa que, a partir de los piones cargados originales, la fracción total de su energía convertida en neutrinos por una vía u otra sería aproximadamente 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74 ). [ 96 ]

Armas

La antimateria se ha considerado como mecanismo de activación para armas nucleares. [ 97 ] Un obstáculo importante es la dificultad de producir antimateria en cantidades suficientemente grandes, y no hay evidencia de que esto sea factible alguna vez. [ 98 ] No obstante, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos financió estudios sobre la física de la antimateria durante la Guerra Fría y comenzó a considerar su posible uso en armas, no solo como detonante, sino como explosivo en sí mismo. [ 99 ]

Véase también

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Lecturas adicionales

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  • Schmidt, GR; Gerrish, HP; Martin, JJ; Smith, GA; Meyer, KJ (22 de agosto de 2012). Producción de antimateria para aplicaciones de propulsión a corto plazo (PDF) . 35.ª Conferencia y Exposición Conjunta de Propulsión. Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica . doi : 10.2514/6.1999-2691 . Archivado del original (PDF) el 6 de marzo de 2007.
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  • Antimateria en el programa " En nuestro tiempo " de la BBC.
  • Vídeo de Freeview «Antimateria» de Vega Science Trust y la BBC/OU
  • Transmisión web del CERN
  • ¿Qué es la antimateria? (de las preguntas frecuentes del Centro de Estudios de Antimateria y Materia)
  • ¿Qué es una violación directa de CP?
  • Ilustración animada de la producción de antihidrógeno en el CERN. Archivada el 26 de marzo de 2010 en la Wayback Machine del Exploratorium .
  • «Extracción de neutrinos» , un costoso experimento para estudiar neutrinos y antineutrinos. Artículo científico del New York Times , actualizado el 2 de septiembre de 2024.