17 noviembre, 2010

Científicos logran capturar un poco de antimateria

Muchos recordarán aquel Best Seller de Dan Brown “Ángeles y Demonios”, donde roban un cuarto de gramo (0.25gr) de antimateria del CERN contenido en dentro de un frasco con un campo magnético que evitaba que se aniquile con la materia tradicional y genere una gran explosión capaz de acabar con el Vaticano. A decir verdad, por ser una novela ficticia, este hecho está muy alejado de la realidad, ya que hasta ahora no se ha podido contener ni un poquito de antimateria.

Poder capturar y mantener por un buen periodo de tiempo una cantidad sustancial de antimateria, es de suma importancia para poder probar las simetrías fundamentales que son la clave del modelo estándar de la física de partículas.

Es así que el día de hoy, después de 5 años de arduo trabajo e investigación, científicos del CERN reportaron en la versión online de Nature la captura de 38 átomos de antihidrógeno (la versión en antimateria del átomo del hidrógeno) por más de 170 milisegundos en una trampa magnética. Ahora ven, cuan alejado de la realidad estaba en libro de Dan Brown, donde 0.25 gramos de antimateria, que son trillones de trillones de átomos, estaban confinados en un campo magnético por un tiempo indefinido (bueno, 24 horas cuando la trampa magnética funciona sólo a baterías).

Para los poco entendidos, todos conocen el átomo de Hidrógeno, el cual tiene un protón – de carga positiva – en el núcleo y un electrón –de carga negativa – girando alrededor de él. El antihidrógeno es su inversa, un antiprotón (protón con carga negativa) en el núcleo y un positrón (electrón con carga positiva) girando alrededor de él.

Pero, ¿que buscaban los científicos con este trabajo? Ellos querían comparar los niveles de energía del hidrógeno contra el antihidrógeno, a través de técnicas espectrométricas. Todos los átomos absorben longitudes de onda específicas, entonces, sus “gemelas malvadas” ¿absorberán las mismas longitudes de onda? Si es así, la antimateria obedecería las mismas leyes que la materia, como la gravedad y respuesta a las mismas fuerzas electromagnéticas.

¿Como lo consiguieron? Usaron un dispositivo llamado ALPHA, que en el año 2002 fue capaz de producir miles de átomos de antihidrógeno. La forma como lo hicieron fue desacelerando antiprotones generados al golpear un rayo de protones contra una pared metálica y combinándolos con positrones obtenidos del decaimiento radiactivo del Sodio-22 (isótopo radiactivo del Sodio).

alpha

Pero, no es tan fácil como suena. Los antiprotones y positrones emergen en forma de gases incandescentes, donde se mezclan de manera aleatoria a altas velocidades. En esta mezcla aleatoria, algunos positrones se pueden encontrar con unos antiprotones en el camino, quedar “enganchados” y formar un antihidrógeno. Sin embargo, este antihidrógeno se aniquila instantáneamente al encontrarse con la materia que circunda el lugar.

El gran avance que se logró en el CERN fue primero enfriar las antipartículas y luego atraparlas en campos eléctricos producidos por un dispositivo llamado Trampa de Penning. Este dispositivo posee un electrodo de oro de forma cilíndrica puesto dentro de una cámara de vacío. Luego inyectan los antiprotones y positrones en direcciones opuestas, el campo magnético ayuda a que estas dos antipartículas se peguen y formen el antihidrógeno. Sin embargo, capturar este antihidrógeno es un trabajo sumamente difícil, en primer lugar porque es un átomo neutro (no posee carga eléctrica) y por lo tanto no responde bien a un campo magnético, y en segundo lugar, a pesar de ser “enfriados”, aún son lo suficientemente calientes, o sea, siguen moviéndose a una gran velocidad lo que dificulta su captura.

Recordemos que el hidrógeno es un gas, incluso a temperaturas tan bajas como –230°C, y por ser un gas, sus átomos se mueven a grandes velocidades. Y el movimiento de las partículas significa calor.

Para superar estos inconvenientes, los científicos del CERN pusieron la trampa de Penning dentro de una trampa de Ioffe-Pritchard, la cual esta formada por un octopolo (un campo magnético formado cuatro dipolos usando 8 electrodos). Esta trampa tiene la peculiaridad de generar un campo magnético más fuerte en las paredes que en el centro de la cámara de vacío, lo que facilita la captura de los antihidrógenos. Aún así solo pudieron capturar tan solo 38 antiátomos, pero, por un tiempo suficiente (172 milisegundos) como para poder realizarle “un interrogatorio” a la antimateria.

Si bien fue un gran avance, no se ha podido realizar el experimento planteado. Para poder hacer un estudio espectrométrico, se necesitan al menos 100 átomos atrapados al mismo tiempo. Pero, si capturar 38 átomos fue una tarea sumamente difícil, imaginen 100!.

Para terminar, aquí les pongo una breve reseña de lo que ha sido la historia de la antimateria:

1931: Paul Dirac predice la existencia de la antimateria.

1932: Los positrones son descubiertos en el Instituto Tecnológico de California.

1955: Los antiprotones son descubiertos en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) en California.

1956: Los antineutrones son descubiertos por científicos del LBNL.

1965: El antideuterion (un antideuterio sin su positrón) es creado en el CERN y en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York.

1995: Se observan los primeros antihidrógenos en el CERN.

2002: Se crean cerca de 50000 átomos de antihidrógeno en el CERN.

2010: 38 átomos de antihidrógeno son capturados en el CERN.

Referencias:

Nature News. doi:10.1038/468355a

Nature. doi:10.1038/nature09610

Science NOW. http://bit.ly/9PrQdj

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