03 abril, 2010

Observación de un hipernúcleo de antimateria

Cuando oímos hablar de la antimateria nos suena a ciencia ficción, a Star Trek, pero, según la estructura matemática de la teoría cuántica, todas las partículas deben tener su antipartícula de la misma masa pero de carga eléctrica opuesta, ya que todo en el universo debe tener una simetría. Las antipartículas forman parte de nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, los positrones (electrones con carga positiva) son usados en las nuevas técnicas de tomografía (Tomografía por emisión de positrones) la cual da una mayor resolución a las imágenes tomadas de cualquier parte del cuerpo. Los positrones, los antineutrinos y otras antipartículas también están presentes en la naturaleza como producto del decaimiento de algunos elementos radiactivos. Sin embargo, no podemos estudiar las antipartículas a nivel macro, ya que cuando la antimateria se encuentra con la materia, se aniquilan formando partículas neutras como los fotones.

imageAún no se entiende por qué en nuestro universo conocido es preponderante la presencia de materia sobre la antimateria, o sea, un universo asimétrico. Por esta razón, es muy complicado formar sistemas de antimateria. La teoría cuántica permite la existencia tanto de elefantes (formado de materia tal como la conocemos) como de anti-elefantes (formados de antimateria), pero debido a la abundancia de la materia sobre la antimateria, inmediatamente después de la formación de una antipartícula, ésta quedará aniquilada porque se encontrará con una partícula de materia antes de formar una estructura más compleja como el núcleo de un átomo. Así que será prácticamente imposible formar sistemas tan complejos como un anti-elefante la cual necesitaría la existencia de cuatrillones de cuatrillones de anti-átomos.

Si bien no podremos hacer anti-elefantes, es posible crear sistemas de antimateria relativamente complejos vía colisiones de iones pesados altamente energéticos usando un acelerador de partículas como el RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collider). Con este acelerador podemos crear un antihipertritón. Un anti… que? El antihipertritón es la antipartícula del hipertritón. Pero que es un hipertritón? Para responder esto debemos conocer primero al tritón. Pero, que es un tritón? jajaja, no se desesperen, ya casi llegamos. Para saber que es un tritón debemos conocer al tritio. Supongo que si sabrán que es el tritio. NO. El tritio es uno de los isótopos del hidrógeno, que tiene un núcleo dos neutrones y un protón y un electrón que gira alrededor. El tritón es el tritio pero sin el electrón, o sea, sólo el núcleo de tritio. El protón y los neutrones (bariones) del tritio están formados por tres quarks (dos quark arriba y uno abajo), cuando un quark arriba de uno de los neutrones es reemplazado por un quark extraño (hiperón), el tritón pasa a ser un hipertritón, y como mencionamos al comienzo de este párrafo, su antipartícula es el antihipertritón.

Lo que se hizo en el RHIC fue acelerar iones de oro (Au) —un átomo relativamente grande y pesado— a 0.9995 veces la velocidad de la luz, y estrellarlos frontalmente. Tras esta colisión altamente energética, el núcleo se destruye creando una serie de interacciones entre gluones, quarks y antiquarks. En un tiempo menor a 10-23 segundos, se cree que el sistema alcanza un equilibrio térmico y forma “bolas de fuego” a una temperatura de más de 1015°K. Los quarks y gluones por lo general están confinados a dentro de partículas mediante fuerzas nucleares fuertes como protones o piones, pero a estas temperaturas, se rompe el confinamiento en una interacción quark-gluón plasma (QGP) donde es casi igual la cantidad de quarks y antiquarks y se forman los quark extraños. A medida que baja la temperatura los quarks y gluones se hadronizan (se unen para formar una partícula), algunos quarks y antiquarks forman mesones y en una pequeña fracción de tiempo hay tres quarks o antiquarks lo suficientemente cerca como para formar bariones (protones, neutrones e hiperones) y antibariones.

La característica de este tipo de aceleradores es que hay una probabilidad de que un buen número de antiquarks estén lo suficientemente juntos como para formar sistemas de antimateria complejos y estos no se aniquilen con la materia (bariones), es así que se descubrió el antihipertritón, un sistema de antimateria complejo: un núcleo de tres antibariones (dos antineutrones y un antiprotón). Si bien esto esta lejos de formar un antielefante, o por lo menos una antimolécula o un antiátomo, este descubrimiento confirma que los sistemas de antimateria tienen la misma masa que los sistemas de materia ordinaria, aunque la determinación de la masa de este sistema de antimateria no sea muy preciso debido a la inestabilidad del antihipertritón. También ayudará a los astrónomos a entender que pasa dentro de las estrellas de neutrones, donde se obtiene condiciones similares de temperatura y energía obtenidos en el acelerador de partículas, pero a nivel macro.

Las colisiones de iones y partículas generan una cantidad inimaginable de sub-partículas, tanto de materia como de antimateria, muchas de ellas sólo presente en los modelos matemáticos de las teorías cuánticas y en la imaginación de los físicos. Descubrir como se da el mecanismo de formación de la materia ayudará, por fin, a entender la pregunta que ha cautivado a los más grandes pensadores de la historia, cómo se originó nuestro universo?

Referencia:

ResearchBlogging.orgThe STAR Collaboration (2010). Observation of an Antimatter Hypernucleus Science, 328 (5974), 58-62 DOI: 10.1126/science.1183980

Explicación más sencilla:

http://cienciafacil.lamula.pe/?p=12

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