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Artículo publicado el 4 de noviembre de 2015 en Brookhaven National Lab

Es la primera medida de las interacciones entre antiprotones, que hacen posible la existencia de los núcleos de antimateria.

Escrutando entre los restos de las colisiones entre partículas que recrean las condiciones de los principios del universo, los científicos han medido, por primera vez, la fuerza de la interacción entre pares de antiprotones. Como la fuerza que mantiene unidos a los protones comunes en el interior del núcleo de los átomos, la fuerza entre los antiprotones es atractiva y fuerte.

Los experimentos se llevaron a cabo en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una instalación del Departamento de Energía de los Estados Unidos para la investigación en física nuclear situada en el Brookhaven National Laboratory. Los hallazgos, publicados en la revista Nature, podrían ofrecer una visión de mayores porciones de antimateria, incluyendo núcleos de antimateria anteriormente detectados en el RHIC, y pueden también ayudar a los científicos a explorar una de las mayores incógnitas de la ciencia: por qué el universo actual está constituido principalmente por materia común, y virtualmente no se encuentra antimateria.

Interacción entre antiprotones

Interacción entre antiprotones Crédito: Brookhaven National Laboratory

“El Big Bang — el inicio del universo — produjo materia y antimateria en cantidades iguales. Pero ése no es el mundo que vemos actualmente. La antimateria es extremadamente rara. ¡Es un enorme misterio!”, comenta Aihong Tang, físico en Brookhaven implicado en el análisis, que usó datos recopilados por el detector STAR del RHIC. “Aunque este misterio se conoce desde hace décadas han surgido pocas pistas, y sigue siendo uno de los grandes desafíos de la ciencia. Cualquier cosa que aprendamos sobre la naturaleza de la antimateria puede, potencialmente, contribuir a resolver el misterio”.

RHIC es el lugar perfecto para estudiar la antimateria debido a que es uno de los pocos sitios de la Tierra que es capaz de crear este esquivo material en cantidades abundantes. Hace esto impactando los núcleos de átomos pesados, como el oro, entre sí a casi la velocidad de la luz. Estas colisiones producen condiciones muy similares a las que impregnaban el universo microsegundos después del Big Bang — con temperaturas 250 000 veces más calientes que el centro del Sol en una mota del tamaño de un núcleo atómico. Toda esa energía condensada en un espacio tan minúsculo crea un plasma de los bloques básicos que forman la materia, quarks y gluones, y miles de nuevas partículas — materia y antimateria en iguales cantidades.

“Estamos aprovechando la capacidad de producir grandes cantidades de antimateria, de forma que podamos llevar a cabo este estudio”, señala Tang.

La colaboración STAR tenía experiencia previa detectando y estudiando extrañas formas de antimateria — incluyendo partículas anti-alfa, los mayores núcleos de antimateria jamás creados en un laboratorio, cada una hecha a partir de dos antiprotones y dos antineutrones. Esos experimentos dieron algunas pistas sobre cómo interactúan los protones dentro de estos grandes objetos compuestos. Pero, en este caso, “la fuerza entre los antiprotones es una circunvolución de las interacciones de todo el resto de partículas”, explica Tang. “Queríamos estudiar la interacción simple de antiprotones no ligados para lograr una visión más ‘limpia’ de esta fuerza”.

Para hacer esto buscaron pares de antiprotones en los datos de STAR, procedentes de colisiones entre núcleos de oro, que estuviesen lo bastante cerca como para interactuar entre sí cuando surgieron de la bola de fuego de la colisión original.

“Vemos grandes cantidades de protones, los bloques básicos de los átomos convencionales, y vemos un número casi igual de antiprotones”, apunta Zhengqiao Zhang, estudiante graduado en el grupo del Profesor Yu-Gang Ma del Instituto de Shanghai de Física Aplicada de la Academia China de Ciencias, que trabaja bajo la guía de Tang cuando viaja a Brookhaven. “Los antiprotones tienen el mismo aspecto que los protones comunes pero, dado que son antimateria, tienen una carga negativa en lugar de positiva, por tanto, se curvan en sentido contrario en el campo magnético del detector”.

“Observando los que aparecían cerca unos de otros en el detector, podemos medir las correlaciones de ciertas propiedades que nos dan una visión de la fuerza entre pares de antiprotones, incluyendo su fuerza y la distancia a la cual actúa”, añade.

Los científicos hallaron que la fuerza entre los pares de antiprotones es atractiva, como la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los átomos comunes. Considerando que ya habían descubierto estados ligados de antiprotones y antineutrones — núcleos de antimateria — esto no fue una sorpresa. Cuando los antiprotones se acercan, la interacción de la fuerza nuclear fuerte supera la tendencia de las partículas con la misma carga a repelerse, de la misma forma que permite que los protones cargados positivamente se unan entre sí para formar los núcleos de los átomos comunes.

De hecho, las medidas no muestran diferencias entre materia y antimateria en el modo en que se comporta la fuerza nuclear fuerte. Es decir, dentro de la precisión de estas medidas, materia y antimateria parecen ser perfectamente simétricas. Esto significa, al menos con la precisión que los científicos han podido conseguir, que no parece haber alguna extraña asimetría de la fuerza nuclear fuerte que pueda ser culpable de la persistente existencia de materia en el universo, y la escasez de antimateria actual.

Pero los científicos señalan que no se sabría de no haberse realizado estos experimentos.

“Existen muchas formas de poner a prueba la asimetría de materia/antimateria, y hay pruebas más precisas pero, además de la precisión, es importante estudiarla cualitativamente de distintas formas. Este experimento fue una nueva prueba cualitativa”, explica Richard Lednický, científico de STAR que trabaja en el Joint Institute for Nuclear Research, en Dubna, y el Instituto de Física de la Academia Checa de las Ciencias en Praga.

“La exitosa implementación de la técnica usada en este análisis abre una apasionante posibilidad para explorar detalles de la interacción fuerte entre otras partículas creadas en abundancia”, señala, apuntando que el RHIC y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) están perfectamente equipados para realizar estas medidas, que son difícilmente realizables usando otros medios.

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