En la 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 carga, paridad y tiempo invertidos, lo que se conoce como inversión CPT . La antimateria ocurre en procesos naturales como las colisiones de rayos cósmicos y algunos tipos de desintegración radiactiva , pero sólo una pequeña fracción de ellos se ha unido con éxito en experimentos para formar antiátomos. Se pueden generar cantidades minúsculas de antipartículas en los aceleradores de partículas ; sin embargo, la producción artificial total ha sido sólo de unos pocos nanogramos . [1] Nunca se ha ensamblado ninguna cantidad macroscópica de antimateria debido al costo extremo y la dificultad de 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 y las imágenes industriales.
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 compañera antipartícula conduce a su aniquilación mutua , dando lugar a diversas proporciones de fotones intensos ( rayos gamma ), neutrinos y, a veces, pares partícula-antipartícula menos masivos. La mayor parte de la energía total de 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 colisionadas, de acuerdo con la notable ecuación de equivalencia masa-energía , E = mc 2 . [2]
Las antipartículas se unen entre sí para formar antimateria, del mismo modo 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. [3] Los principios físicos indican que son posibles núcleos atómicos de antimateria complejos, así como antiátomos correspondientes a los elementos químicos conocidos.
Hay pruebas contundentes de que el universo observable está compuesto casi en su totalidad por materia ordinaria, a diferencia de una mezcla igual de materia y antimateria. [4] Esta asimetría de materia y antimateria en el universo visible es uno de los grandes problemas no resueltos de la física . [5] El proceso por el cual se desarrolló esta desigualdad entre las partículas de materia y antimateria se llama bariogénesis .
Las partículas de antimateria tienen la misma carga que las partículas de materia, pero de signo opuesto. Es decir, un antiprotón está cargado negativamente y un antielectrón ( positrón ) está cargado positivamente. Los neutrones no tienen carga neta, pero sus quarks sí la tienen. 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 correspondiente antipartícula chocan, ambas se convierten en energía. [6] [7] [8]
El término francés para "hecho de antimateria o perteneciente a ella", contraterrene , dio lugar al inicialismo "CT" y al término de ciencia ficción seetee , [9] tal como se utiliza en novelas como Seetee Ship . [10]
La idea de materia negativa aparece en teorías pasadas sobre la materia que ahora han sido abandonadas. Utilizando la alguna vez popular teoría de la gravedad del vórtice , William Hicks discutió la posibilidad de que la materia tuviera gravedad negativa en la década de 1880. Entre los años 1880 y 1890, Karl Pearson propuso la existencia de "chorros" [11] y sumideros del flujo de éter . Los chorros representaban materia normal y los sumideros representaban materia negativa. La teoría de Pearson requería una cuarta dimensión para que el éter fluyera desde y hacia. [12]
El término antimateria fue utilizado por primera vez por Arthur Schuster en dos cartas bastante caprichosas a Nature en 1898, [13] en las que acuñó el término. Planteó la hipótesis de los antiátomos, así como de sistemas solares completos de antimateria, y discutió la posibilidad de que la materia y la antimateria se aniquilaran entre sí. Las ideas de Schuster no eran una propuesta teórica seria, simplemente una especulación, y al igual que las ideas anteriores, se diferenciaban del concepto moderno de antimateria en que poseía gravedad negativa . [14]
La teoría moderna de la antimateria comenzó en 1928, con un artículo [15] de Paul Dirac . Dirac se dio cuenta de que su versión relativista de la ecuación de onda de Schrödinger para los electrones predecía la posibilidad de que existieran antielectrones . Aunque Dirac había sentado las bases para la existencia de estos “antielectrones”, inicialmente no logró captar las implicaciones contenidas en su propia ecuación. Le dio libremente el crédito por esa idea a J. Robert Oppenheimer , cuyo artículo fundamental "Sobre la teoría de los electrones y protones" (14 de febrero de 1930) se basó en la ecuación de Dirac y defendió la existencia de un electrón cargado positivamente (un positrón). que como contraparte del electrón debería tener la misma masa que el propio electrón. Esto significaba que no podía ser, como de hecho había sugerido Dirac, un protón. Dirac postuló además la existencia de antimateria en un artículo de 1931 que se refería al positrón como un "antielectrón". [16] [17] Estos fueron descubiertos por Carl D. Anderson en 1932 y los denominaron positrones de "electrón positivo". Aunque Dirac no utilizó el término antimateria, su uso se deriva naturalmente de los antielectrones, antiprotones, etc. [18] Charles Janet ideó una tabla periódica completa de antimateria en 1929. [19]
La interpretación de Feynman-Stueckelberg afirma que la antimateria y las antipartículas se comportan exactamente de manera idéntica a las partículas regulares, pero viajan hacia atrás en el tiempo. [20] Este concepto se utiliza hoy en día en la física de partículas moderna, en los diagramas de Feynman . [21]
Una forma de indicar una antipartícula es agregando una barra sobre el símbolo de la partícula. Por ejemplo, el protón y el antiprotón se denotan como
pag
y
pag
, respectivamente. La misma regla se aplica si uno se dirigiera a una partícula por sus componentes constituyentes. Un protón está formado por tu tu d quarks , por lo que se debe formar un antiprotón a partir detu tu d antiquarks . Otra convención es distinguir las partículas por carga eléctrica positiva y negativa . Por tanto, el electrón y el positrón se denotan simplemente como
mi−
y
mi+
respectivamente. Sin embargo, para evitar confusiones, las dos convenciones nunca se mezclan.
No hay diferencia en el comportamiento gravitacional de la materia y la antimateria. En otras palabras, la antimateria cae cuando cae, no hacia arriba. Esto se confirmó con el gas fino y muy frío de miles de átomos de antihidrógeno confinados en un eje vertical rodeado por bobinas electromagnéticas superconductoras. Estos pueden crear una botella magnética para evitar que la antimateria entre en contacto con la materia y se aniquile. Luego, los investigadores debilitaron gradualmente los campos magnéticos y detectaron los antiátomos utilizando dos sensores mientras escapaban y se aniquilaban. La mayoría de los antiátomos salieron por la abertura inferior y sólo una cuarta parte por la superior. [22]
Hay 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. [23] [24] Esto significa que una partícula y su correspondiente antipartícula 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. [25] Esta idea fue probada experimentalmente en 2016 mediante el experimento ALPHA , que midió la transición entre los dos estados de energía más bajos del antihidrógeno . Los resultados, idénticos a los del hidrógeno, confirmaron la validez de la mecánica cuántica para la antimateria. [26] [27]
La mayor parte de la materia observable desde la Tierra parece estar compuesta de materia y no de antimateria. Si existieran regiones del espacio dominadas por la antimateria, los rayos gamma producidos en reacciones de aniquilación a lo largo del límite entre las regiones de materia y antimateria serían detectables. [28]
Las antipartículas se crean en todas partes del universo donde tienen lugar colisiones de partículas de alta energía. Los rayos cósmicos de alta energía que impactan la atmósfera de la Tierra (o cualquier otra materia del Sistema Solar ) producen cantidades diminutas de antipartículas en los chorros de partículas resultantes , que son inmediatamente aniquiladas por el contacto con la materia cercana. También 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 que se producen cada vez que los positrones se aniquilan con la materia cercana. La frecuencia y 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 c 2 ).
Las observaciones realizadas por el satélite INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea pueden explicar el origen de una nube gigante de antimateria que rodea el Centro Galáctico. Las observaciones muestran que la nube es asimétrica y coincide con el patrón de los 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 implique la producción de pares electrón-positrón, a medida que la materia ordinaria gana energía cinética mientras cae en un remanente estelar . [29] [30]
La antimateria puede existir en cantidades relativamente grandes en galaxias lejanas debido a la inflación cósmica en la época primordial del universo. Se espera que las galaxias de antimateria, si existen, tengan la misma química y espectros de absorción y emisión que las galaxias de materia normal, y sus objetos astronómicos serían observacionalmente idénticos, lo que los haría difíciles de distinguir. [31] La NASA está tratando de determinar si tales galaxias existen buscando firmas de rayos X y rayos gamma de eventos de aniquilación en supercúmulos en colisión . [32]
En octubre de 2017, los 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. [33] [34] Es consistente con la medición más precisa del momento magnético del protón (también realizada por BASE en 2014), lo que apoya 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 fue demostrada 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. [35]
Los positrones se producen naturalmente en las desintegraciones β + de isótopos radiactivos naturales (por ejemplo, potasio-40 ) y en interacciones de cuantos gamma (emitidos por núcleos radiactivos) con la materia. Los antineutrinos son otro tipo de antipartículas creadas 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) que se originaba sobre las nubes de tormenta ; Los positrones se producen en destellos de rayos gamma terrestres creados por electrones acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes. [36] [37] El módulo PAMELA también ha descubierto que existen antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra . [38] [39]
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 plantea la hipótesis de que durante el período de bariogénesis, cuando el universo era extremadamente caliente y denso, se producían y aniquilaban continuamente materia y antimateria. La presencia de materia restante y la ausencia de antimateria restante detectable [40] 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 grandes cantidades de plasma de positrones y electrones a través de los chorros. [41] [42]
Los experimentos con satélites han encontrado evidencia de positrones y algunos antiprotones en los rayos cósmicos primarios, que representan menos del 1% de las partículas de los rayos cósmicos primarios. No es posible que toda esta antimateria haya sido creada en el Big Bang, sino que se atribuye a que fue producida mediante procesos cíclicos a altas energías. Por ejemplo, se pueden formar pares electrón-positrón en los púlsares , cuando un ciclo de rotación de una estrella de neutrones magnetizada corta los pares electrón-positrón de la superficie de la estrella. Allí la antimateria forma un viento que choca contra las eyecciones de las supernovas progenitoras. Esta erosión se produce cuando "el viento frío, magnetizado y relativista lanzado por la estrella golpea el eyectado que se expande de manera no relativista, se forma un sistema de ondas de choque en el impacto: la exterior se propaga en el eyectado, mientras que un choque inverso se propaga hacia la estrella". ". [43] La primera expulsión de materia en la onda de choque exterior y la última producción de antimateria en la onda de choque inversa son pasos en un ciclo meteorológico 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 oscilan entre 10 GeV y 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. [44] [45] Se informó sobre una nueva medición de la fracción de positrones de hasta 500 GeV, que muestra 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 proporción entre positrones y electrones comienza a disminuir nuevamente. El flujo absoluto de positrones también comienza a disminuir antes de los 500 GeV, pero alcanza su punto máximo en energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan su máximo alrededor de los 10 GeV. [46] 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 . [47]
Los antiprotones de los rayos cósmicos también tienen una energía mucho mayor que sus homólogos de materia normal (protones). Llegan a la Tierra con un máximo de energía característico de 2 GeV, lo que indica que se producen en un proceso fundamentalmente diferente al de los protones de los rayos cósmicos, que en promedio sólo tienen una sexta parte de esa energía. [48]
Hay una búsqueda en curso de núcleos de antimateria más grandes, como núcleos de antihelio (es decir, partículas anti-alfa), en los rayos cósmicos. 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 llevado 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 . [49] AMS-02 reveló en diciembre de 2016 que había descubierto algunas señales consistentes con núcleos de antihelio en medio de varios miles de millones de núcleos de helio. El resultado aún no se ha verificado y actualmente el equipo está intentando descartar una contaminación. [50]
En noviembre de 2008 se informó [51] que los positrones habían sido generados en grandes cantidades por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Un láser condujo electrones a través de los núcleos de un objetivo de oro , lo que provocó que los electrones entrantes emitieran cuantos de energía que se desintegraron en materia y antimateria. Los positrones se detectaron a un ritmo más alto y con mayor densidad que nunca antes detectado en un laboratorio. Experimentos anteriores produjeron cantidades más pequeñas de positrones utilizando láseres y objetivos finos como el papel; Simulaciones más recientes demostraron que ráfagas cortas de láseres ultraintensos y oro de un milímetro de espesor son una fuente mucho más eficaz. [52]
En 2023, una colaboración dirigida por investigadores de la Universidad de Oxford que trabajaban con las instalaciones de Alta Radiación a Materiales (HRMT) [53] del CERN informó sobre la producción del primer haz de plasma de electrones y positrones . [54] El haz demostró el mayor rendimiento de positrones logrado hasta ahora en un laboratorio. El experimento empleó el haz de protones de 440 GeV, con protones, del Super Sincrotrón de Protones , e irradió un convertidor de partículas compuesto de carbono y tantalio . Esto produjo pares totales electrón-positrón mediante un proceso de lluvia de partículas . Los pares de haces producidos tienen un volumen que llena múltiples esferas de Debye y, por lo tanto, son capaces de sostener oscilaciones de plasma colectivas. [54]
La existencia del antiprotón fue confirmada experimentalmente en 1955 por los físicos Emilio Segrè y Owen Chamberlain de la Universidad de California en Berkeley , por lo que recibieron el Premio Nobel de Física en 1959 . [55] Un antiprotón consta de dos antiquarks arriba y un antiquark abajo ( tutud). Todas 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, Bruce Cork y sus colegas descubrieron el antineutrón en colisiones protón-protón en el Bevatron ( Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ) . [56]
Además de los antibariones , se han creado antinúcleos que consisten en múltiples antiprotones y antineutrones unidos. Por lo general, estos se producen a energías demasiado altas para formar átomos de antimateria (con positrones unidos en lugar de electrones). En 1965, un grupo de investigadores dirigido por Antonino Zichichi informó sobre la producción de núcleos de antideuterio en el Sincrotrón de Protones del CERN . [57] Aproximadamente al mismo tiempo, un grupo de físicos estadounidenses en el Sincrotrón de gradiente alterno del Laboratorio Nacional Brookhaven informó sobre observaciones de núcleos de antideuterio . [58]
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 Antiprotón de Baja Energía (LEAR) y fue dirigido por Walter Oelert y Mario Macri. [59] 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 muy adecuados para estudiar. Para resolver este obstáculo y lograr 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 Antiproton Decelerator , un dispositivo capaz de desacelerar antiprotones de3,5 GeV a5,3 MeV : todavía demasiado "caliente" para producir antihidrógeno eficaz en el estudio, pero es un gran paso adelante. A finales de 2002, el proyecto ATHENA anunció que había creado el primer antihidrógeno "frío" del mundo. [60] El proyecto ATRAP publicó resultados similares muy poco tiempo después. [61] Los antiprotones utilizados en estos experimentos se enfriaron desacelerándolos con el Antiproton Decelerator, pasándolos a través de una fina lámina de papel de aluminio y finalmente capturándolos en una trampa Penning-Malmberg . [62] El proceso de enfriamiento general es viable, pero altamente ineficiente; Aproximadamente 25 millones de antiprotones abandonan el desacelerador de antiprotones y aproximadamente 25.000 llegan a la trampa Penning-Malmberg, que es aproximadamente 1/1000 o 0,1% del importe original.
Los antiprotones todavía están calientes cuando fueron atrapados inicialmente. Para enfriarlos aún más, se mezclan en un plasma de electrones. Los electrones de este plasma se enfrían mediante radiación ciclotrón y luego enfrían por simpatía los antiprotones mediante colisiones de Coulomb . Finalmente, los electrones son eliminados mediante la aplicación de campos eléctricos de corta duración, dejando a los antiprotones con energías inferiores a100 meV . [63] Mientras los antiprotones se enfrían en la primera trampa, una pequeña nube de positrones se captura a partir de sodio radiactivo en un acumulador de positrones estilo Surko. [64] Esta nube luego es recapturada en una segunda trampa cerca de los antiprotones. Luego, las manipulaciones de los electrodos trampa inclinan los antiprotones hacia el plasma de positrones, donde algunos se combinan con los 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. De esta manera se han formado unos cientos de millones de átomos de antihidrógeno.
En 2005, ATHENA se disolvió y algunos de los antiguos miembros (junto con otros) formaron la Colaboración ALPHA , que también tiene su sede en el CERN. El objetivo final de este esfuerzo es probar la simetría de CPT mediante la comparación de los espectros atómicos de hidrógeno y antihidrógeno (ver series espectrales de hidrógeno ). [sesenta y cinco]
La mayoría de las tan buscadas pruebas de alta precisión sobre las propiedades del antihidrógeno sólo podrían realizarse si el antihidrógeno quedara atrapado, es decir, si se mantuviera en su lugar durante un tiempo relativamente largo. Si bien los átomos de antihidrógeno son eléctricamente neutros, los espines de las partículas que los componen producen un momento magnético . Estos momentos magnéticos pueden interactuar con un campo magnético no homogéneo; algunos de los átomos de antihidrógeno pueden ser atraídos hacia un mínimo magnético. Este mínimo puede crearse mediante una combinación de campos especulares y multipolares. [66] El antihidrógeno puede quedar atrapado en una trampa magnética mínima (mínimo-B); En noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que habían atrapado 38 átomos de antihidrógeno durante aproximadamente una sexta parte de segundo. [67] [68] Esta fue la primera vez que la antimateria neutral quedó atrapada.
El 26 de abril de 2011, ALPHA anunció que habían atrapado 309 átomos de antihidrógeno, algunos durante hasta 1.000 segundos (unos 17 minutos). Esto fue más tiempo del que nunca antes se había atrapado la antimateria neutra. [69] ALPHA ha utilizado estos átomos atrapados para iniciar la investigación sobre las propiedades espectrales del antihidrógeno. [70]
En 2016, se construyó un nuevo desacelerador y enfriador antiprotones llamado ELENA (Desacelerador antiprotones de energía extra baja). Toma los antiprotones del desacelerador de antiprotones y los enfría a 90 keV, que es lo suficientemente "frío" para estudiar. Esta máquina funciona utilizando alta energía y acelerando las partículas dentro de la cámara. Se pueden capturar más de cien antiprotones por segundo, lo que supone una enorme mejora, pero aún así se necesitarían varios miles de años para producir un nanogramo de antimateria.
El mayor factor limitante en la producción a gran escala de antimateria es la disponibilidad de antiprotones. Datos recientes publicados por el CERN afirman que, cuando estén en pleno funcionamiento, sus instalaciones son capaces de producir diez millones de antiprotones por minuto. [71] Suponiendo una conversión del 100% de antiprotones en antihidrógeno, se necesitarían 100 mil millones de años para producir 1 gramo o 1 mol de antihidrógeno (aproximadamente6,02 × 10 23 átomos de antihidrógeno). Sin embargo, el CERN sólo produce el 1% de la antimateria que produce el Fermilab, y ninguno de los dos está diseñado para producir antimateria. Según Gerald Jackson, utilizando la tecnología que ya se utiliza 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. [72]
Núcleos de antihelio-3 (3
Él
) 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) [73] y luego se crearon en experimentos de colisión núcleo-núcleo. [74] 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 sobre la observación de núcleos de antihelio-4 (partículas anti-alfa) creados artificialmente (4
Él
) de tales colisiones. [75]
El espectrómetro magnético Alfa de la Estación Espacial Internacional ha registrado, hasta 2021, ocho eventos que parecen indicar la detección de antihelio-3. [76] [77]
La antimateria no se puede almacenar en un recipiente hecho de materia ordinaria porque reacciona con cualquier materia que toca, aniquilándose a sí misma y a una cantidad igual del recipiente. La antimateria en forma de partículas cargadas puede ser contenida mediante una combinación de campos eléctricos y magnéticos , en un dispositivo llamado trampa de Penning . Sin embargo, este dispositivo no puede contener antimateria compuesta de partículas sin carga, para lo cual se utilizan trampas atómicas . En particular, una trampa de este tipo puede utilizar el momento dipolar ( eléctrico o magnético ) de las partículas atrapadas. En alto vacío , las partículas de materia o antimateria pueden quedar atrapadas y enfriadas con radiación láser ligeramente fuera de resonancia utilizando una trampa magnetoóptica o una trampa magnética . También se pueden suspender pequeñas partículas con pinzas ópticas , utilizando un rayo láser altamente enfocado. [78]
En 2011, los científicos del CERN pudieron conservar el antihidrógeno durante aproximadamente 17 minutos. [79] El récord de almacenamiento de antipartículas lo ostenta actualmente el experimento TRAP del CERN: los antiprotones se mantuvieron en una trampa Penning durante 405 días. [80] En 2018 se hizo una propuesta para desarrollar tecnología de contención lo suficientemente avanzada como para contener mil millones de antiprotones en un dispositivo portátil para llevarlo a otro laboratorio para realizar más experimentos. [81]
Los científicos afirman que la antimateria es el material más costoso de fabricar. [82] En 2006, Gerald Smith estimó que 250 millones de dólares podrían producir 10 miligramos de positrones [83] (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. [82] Esto se debe a que la producción es difícil (sólo se producen muy pocos antiprotones en reacciones en aceleradores de partículas) y a que existe una mayor demanda para otros usos de los aceleradores de partículas . Según el CERN, producir aproximadamente una milmillonésima parte de un gramo (la cantidad utilizada hasta ahora para las colisiones entre partículas y antipartículas) ha costado unos cientos de millones de francos suizos . [84] En comparación, para producir la primera arma atómica, el costo del Proyecto Manhattan se estimó en $ 23 mil millones con la inflación durante 2007. [85]
Varios estudios financiados por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA están explorando si sería posible utilizar palas magnéticas para recolectar la antimateria que se produce naturalmente en el cinturón de Van Allen de la Tierra y, en última instancia, en los cinturones de gigantes gaseosos como Júpiter , idealmente en una menor costo por gramo. [86]
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 carga positiva excedente al emitir un positrón (en el mismo evento, un protón se convierte en neutrón y también se emite un neutrino ). Los nucleidos con exceso de carga positiva se producen 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 cánceres, en un método similar que se utiliza actualmente para la terapia de iones (protones). [87]
La antimateria aislada y almacenada podría usarse como combustible para viajes interplanetarios o interestelares [88] como parte de una propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria u otro cohete de antimateria . Dado que la densidad de energía de la antimateria es mayor que la de los combustibles convencionales, una nave espacial alimentada con antimateria tendría una relación empuje-peso más alta que una nave espacial convencional.
Si las colisiones materia-antimateria dieran lugar únicamente a 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 , [89] y aproximadamente 3 órdenes de magnitud mayor que la energía potencial nuclear que puede liberarse hoy en día mediante la fisión nuclear (aproximadamente200 MeV por reacción de fisión [90] o8 × 10 13 J/kg ), y aproximadamente 2 órdenes de magnitud mayor 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 × 10 17 J (180 petajulios ) de energía (según la fórmula de equivalencia masa-energía , E = mc 2 ), o el equivalente aproximado de 43 megatones de TNT, un poco menos que el rendimiento de la Tsar Bomba de 27.000 kg , la más grande. arma termonuclear 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 utilizar para impulsar. En las reacciones entre protones y antiprotones, su energía se convierte en gran medida en piones relativistas neutros y cargados . Los piones neutros se desintegran casi inmediatamente (con una vida útil de 85 attosegundos ) en fotones de alta energía, pero los piones cargados se desintegran más lentamente (con una vida útil de 26 nanosegundos) y pueden desviarse 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 luego los muones se descomponen en una combinación de electrones, positrones. y neutrinos (cf. desintegración de muones ; 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 ruta u otra sería aproximadamente 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74 ). [91]
La antimateria ha sido considerada como un mecanismo desencadenante de armas nucleares. [92] Un obstáculo importante es la dificultad de producir antimateria en cantidades suficientemente grandes, y no hay evidencia de que alguna vez sea factible. [93] No obstante, la Fuerza Aérea de EE. UU. financió estudios sobre la física de la antimateria en la Guerra Fría y comenzó a considerar su posible uso en armas, no sólo como disparador, sino como explosivo en sí. [94]
Conservación de la materia significa conservación del número bariónico
A
y del número leptónico
L
, siendo
A
y
L
números algebraicos.
A
y
L
positivos
están asociados a partículas de materia,
A
y
L
negativos están asociados a partículas de antimateria. Todas las interacciones conocidas conservan la materia.
Las partículas de antimateria se caracterizan por un número bariónico negativo
A
o/y un número leptónico
negativo
L.
La materialización y la aniquilación obedecen a la conservación de
A
y
L
(asociadas a todas las interacciones conocidas).
La antimateria es la sustancia más cara de la Tierra
"Una estimación aproximada para producir los 10 miligramos de positrones necesarios para una misión humana a Marte es de unos 250 millones de dólares utilizando tecnología que está actualmente en desarrollo", dijo Smith.
