El antiprotón ,
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, (pronunciado p-bar ) es la antipartícula del protón . Los antiprotones son estables, pero suelen tener una vida corta, ya que cualquier colisión con un protón provocará la aniquilación de ambas partículas en una explosión de energía.
La existencia del antiprotón con carga eléctrica de−1 e , opuesta a la carga eléctrica de+1 e del protón, fue predicho por Paul Dirac en su discurso del Premio Nobel de 1933. [4] Dirac recibió el Premio Nobel por su publicación en 1928 de su ecuación de Dirac que predijo la existencia de soluciones positivas y negativas a la ecuación de energía de Einstein ( ) y la existencia del positrón , el análogo de antimateria del electrón , con carga y espín opuestos .
El antiprotón fue confirmado experimentalmente por primera vez en 1955 en el acelerador de partículas Bevatron por los físicos de la Universidad de California en Berkeley Emilio Segrè y Owen Chamberlain , por lo que recibieron el Premio Nobel de Física en 1959 .
En términos de quarks de valencia , un antiprotón consta de dos antiquarks up y un antiquark down (tútúd). Las propiedades del antiprotón que se han medido coinciden todas con las propiedades correspondientes del protón, con la excepción de que el antiprotón tiene una carga eléctrica y un momento magnético que son opuestos a los del protón, lo que es de esperar del equivalente de antimateria de un protón. Las preguntas sobre en qué se diferencia la materia de la antimateria y la relevancia de la antimateria para explicar cómo nuestro universo sobrevivió al Big Bang siguen siendo problemas abiertos, abiertos, en parte, debido a la relativa escasez de antimateria en el universo actual.
Los antiprotones se han detectado en los rayos cósmicos desde 1979, primero mediante experimentos realizados desde globos y más recientemente mediante detectores ubicados en satélites. La idea estándar de su presencia en los rayos cósmicos es que se producen en colisiones de protones de rayos cósmicos con núcleos atómicos en el medio interestelar , a través de la reacción, donde A representa un núcleo:
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+ A →
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+
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+
pag
+ A
Los antiprotones secundarios (
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) luego se propagan a través de la galaxia , confinados por los campos magnéticos galácticos . Su espectro de energía se modifica por las colisiones con otros átomos en el medio interestelar, y los antiprotones también pueden perderse al "escaperse" de la galaxia. [5]
El espectro de energía de los rayos cósmicos antiprotones se mide ahora de forma fiable y es coherente con esta imagen estándar de la producción de antiprotones por colisiones de rayos cósmicos. [5] Estas mediciones experimentales establecen límites superiores a la cantidad de antiprotones que podrían producirse de formas exóticas, como por ejemplo a partir de la aniquilación de partículas de materia oscura supersimétricas en la galaxia o a partir de la radiación de Hawking causada por la evaporación de agujeros negros primordiales . Esto también proporciona un límite inferior a la vida útil de los antiprotones de aproximadamente 1 a 10 millones de años. Dado que el tiempo de almacenamiento galáctico de los antiprotones es de aproximadamente 10 millones de años, una vida útil de desintegración intrínseca modificaría el tiempo de residencia galáctico y distorsionaría el espectro de los antiprotones de los rayos cósmicos. Esto es significativamente más estricto que las mejores mediciones de laboratorio de la vida útil de los antiprotones:
La magnitud de las propiedades del antiprotón se predice mediante la simetría CPT como exactamente relacionada con las del protón. En particular, la simetría CPT predice que la masa y el tiempo de vida del antiprotón son iguales a los del protón, y la carga eléctrica y el momento magnético del antiprotón son opuestos en signo e iguales en magnitud a los del protón. La simetría CPT es una consecuencia básica de la teoría cuántica de campos y nunca se han detectado violaciones de la misma.
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Los antiprotones se producían rutinariamente en Fermilab para las operaciones de física de colisionadores en el Tevatron , donde colisionaban con protones. El uso de antiprotones permite una energía promedio más alta de colisiones entre quarks y antiquarks de la que sería posible en colisiones protón-protón. Esto se debe a que los quarks de valencia en el protón y los antiquarks de valencia en el antiprotón tienden a transportar la fracción más grande del momento del protón o antiprotón .
La formación de antiprotones requiere una energía equivalente a una temperatura de 10 billones de K (10 13 K), y esto no suele ocurrir de forma natural. Sin embargo, en el CERN, los protones se aceleran en el Sincrotrón de Protones hasta una energía de 26 G eV y luego se estrellan contra una barra de iridio . Los protones rebotan en los núcleos de iridio con suficiente energía para que se cree materia . Se forman una serie de partículas y antipartículas, y los antiprotones se separan utilizando imanes en el vacío .
En julio de 2011, el experimento ASACUSA del CERN determinó que la masa del antiprotón era1 836 .152 6736 (23) veces la del electrón. [10] Esto es lo mismo que la masa de un protón, dentro del nivel de certeza del experimento.
En octubre de 2017, los científicos que trabajan 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. [11] [12] Es coherente 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.
En enero de 2022, al comparar las relaciones de carga-masa entre el antiprotón y el ion de hidrógeno cargado negativamente, el experimento BASE determinó que la relación de carga-masa del antiprotón es idéntica a la del protón, hasta 16 partes por billón. [13] [14]
Se ha demostrado en experimentos de laboratorio que los antiprotones tienen el potencial de tratar ciertos tipos de cáncer, con un método similar al que se utiliza actualmente para la terapia con iones (protones) . [15] La principal diferencia entre la terapia con antiprotones y la terapia con protones es que, tras la deposición de energía iónica, el antiprotón se aniquila, depositando energía adicional en la región cancerosa.
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