En la física moderna , la antimateria se define como materia compuesta por las antipartículas (o "parejas") de las partículas correspondientes en la materia "ordinaria", y puede considerarse como materia con carga, paridad y tiempo invertidos, conocida como inversión CPT . La antimateria se produce en procesos naturales como las colisiones de rayos cósmicos y algunos tipos de desintegración radiactiva , pero solo una pequeña fracción de estas se ha unido con éxito en experimentos para formar antiátomos. Se pueden generar cantidades minúsculas de antipartículas en aceleradores de partículas ; sin embargo, la producción artificial total ha sido de solo unos pocos nanogramos . [1] Nunca se ha reunido una 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 la imagen industrial.
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 números cuánticos .
Una colisión entre cualquier partícula y su antipartícula asociada 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, de la misma manera 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 los núcleos atómicos complejos de antimateria, así como los antiátomos correspondientes a los elementos químicos conocidos.
Hay pruebas sólidas de que el universo observable está compuesto casi en su totalidad de materia ordinaria, en lugar 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 sin resolver de la física . [5] El proceso por el cual se plantea la hipótesis de que ocurrió esta desigualdad entre 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 tiene carga negativa y un antielectrón ( positrón ) tiene carga positiva. Los neutrones no tienen carga neta, pero sus quarks constituyentes sí. 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 antipartícula correspondiente chocan, ambas se convierten en energía. [6] [7] [8]
El término francés para "hecho de o perteneciente a la antimateria", contraterrene , dio lugar al acrónimo "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 anteriores de la materia que ahora han sido abandonadas. Utilizando la teoría de vórtices de gravedad , que alguna vez fue popular, William Hicks discutió la posibilidad de materia con gravedad negativa en la década de 1880. Entre la década de 1880 y la de 1890, Karl Pearson propuso la existencia de "chorros" [11] y sumideros del flujo de éter . Los chorros representaban la materia normal y los sumideros representaban la materia negativa. La teoría de Pearson requería una cuarta dimensión desde la cual y hacia la cual fluía el éter. [12]
El término antimateria fue utilizado por primera vez por Arthur Schuster en dos cartas bastante extravagantes 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 analizó la posibilidad de que la materia y la antimateria se aniquilaran mutuamente. Las ideas de Schuster no eran una propuesta teórica seria, sino mera especulación y, al igual que las ideas anteriores, diferían 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 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 seminal "Sobre la teoría de electrones y protones" (14 de febrero de 1930) se basó en la ecuación de Dirac y argumentó la existencia de un electrón con carga positiva (un positrón), que como contraparte del electrón debería tener la misma masa que el propio electrón. Esto significaba que no podía ser, como Dirac de hecho había sugerido, un protón. Dirac postuló además la existencia de antimateria en un artículo de 1931 que se refería al positrón como un "antielectrón". [16] [17] Fueron descubiertos por Carl D. Anderson en 1932 y recibieron el nombre de positrones , que significa "electrón positivo". Aunque Dirac no utilizó el término antimateria, su uso se deriva naturalmente de antielectrones, antiprotones, etc. [18] Charles Janet ideó una tabla periódica completa de la antimateria en 1929. [19]
La interpretación de Feynman-Stueckelberg establece que la antimateria y las antipartículas se comportan exactamente de forma idéntica a las partículas regulares, pero viajando hacia atrás en el tiempo. [ aclaración necesaria ] [20] Este concepto se utiliza actualmente en la física de partículas moderna, en los diagramas de Feynman . [21]
Una forma de denotar 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 se trata una partícula por sus componentes constituyentes. Un protón está formado por tú tú d quarks , por lo que un antiprotón debe formarse a partir detú tú d antiquarks . Otra convención es distinguir las partículas por su carga eléctrica positiva y negativa . Así, 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 existe diferencia entre el comportamiento gravitacional de la materia y la antimateria. En otras palabras, la antimateria cae hacia abajo cuando se la deja caer, no hacia arriba. Esto se confirmó con el gas delgado y muy frío de miles de átomos de antihidrógeno que estaban confinados en un pozo vertical rodeado de bobinas electromagnéticas superconductoras. Estas 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 a medida que escapaban y se aniquilaban. La mayoría de los antiátomos salieron por la abertura inferior y solo una cuarta parte por la superior. [22]
Existen razones teóricas convincentes para creer que, además 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 antipartícula correspondiente deben tener masas idénticas 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 por el experimento ALPHA , que midió la transición entre los dos estados de energía más bajos del antihidrógeno . Los resultados, que son 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 antimateria, los rayos gamma producidos en las 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 se producen colisiones de partículas de alta energía. Los rayos cósmicos de alta energía que golpean la atmósfera de la Tierra (o cualquier otra materia en el Sistema Solar ) producen cantidades minúsculas de antipartículas en los chorros de partículas resultantes , que son aniquilados inmediatamente por el contacto con la materia cercana. De manera similar, pueden producirse en regiones como el centro de la Vía Láctea y otras galaxias, donde ocurren eventos celestiales 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 producidos cada vez que los positrones se aniquilan con la materia cercana. La frecuencia y la longitud de onda de los rayos gamma indican que cada uno lleva 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 podrían 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 sistemas 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 involucre la producción de pares electrón-positrón, a medida que la materia ordinaria gana energía cinética al caer en un remanente estelar . [29] [30]
La antimateria puede existir en cantidades relativamente grandes en galaxias lejanas debido a la inflación cósmica en el tiempo 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 observablemente idénticos, lo que los hace 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 trabajan en el experimento BASE en el CERN informaron 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 respalda la hipótesis de la simetría CPT . Esta medición representa la primera vez que una propiedad de la antimateria se conoce 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 dirigido por Marco Giammarchi. [35]
Los positrones se producen de forma natural 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 antipartícula creada por la radiactividad natural (desintegración β− ) . Muchos tipos diferentes de antipartículas también son producidas por (y contenidas en) los rayos cósmicos . En enero de 2011, una investigación de la Sociedad Astronómica Estadounidense descubrió antimateria (positrones) que se origina 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 la existencia de 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, la materia y la antimateria se producían y aniquilaban continuamente. 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 satelitales han encontrado evidencia de positrones y algunos antiprotones en rayos cósmicos primarios, que representan menos del 1% de las partículas en rayos cósmicos primarios. Esta antimateria no puede haber sido creada en su totalidad en el Big Bang, sino que se atribuye en cambio a haber sido producida por procesos cíclicos a altas energías. Por ejemplo, los pares electrón-positrón pueden formarse en púlsares , cuando un ciclo de rotación de estrella de neutrones magnetizada corta pares electrón-positrón de la superficie de la estrella. En ese momento, la antimateria forma un viento que choca contra los eyectados de las supernovas progenitoras. Esta erosión tiene lugar cuando "el viento relativista magnetizado y frío lanzado por la estrella golpea los eyectados que se expanden de manera no relativista; en el impacto se forma un sistema de ondas de choque: la externa se propaga en los eyectados, mientras que un choque inverso se propaga de regreso hacia la estrella". [43] La primera eyección de materia en la onda de choque externa y la segunda 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 varían de 10 GeV a 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 de una nueva medición de la fracción de positrones hasta 500 GeV, que muestra que la fracción de positrones alcanza un máximo de aproximadamente el 16% de los eventos totales de electrón + positrón, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la relación de positrones a electrones comienza a caer de nuevo. El flujo absoluto de positrones también comienza a caer antes de 500 GeV, pero alcanza un máximo a energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan un máximo de aproximadamente 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 contrapartes de materia normal (protones). Llegan a la Tierra con un máximo de energía característico de 2 GeV, lo que indica que su producción se produce mediante un proceso fundamentalmente diferente al de los protones de los rayos cósmicos, que en promedio tienen solo una sexta parte de la energía. [48]
Actualmente se están buscando 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 , designado AMS-01 , fue enviado 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] El 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 debe verificarse y, a partir de 2017 [update], el equipo está tratando de descartar la contaminación. [50]
En noviembre de 2008, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore informó que había generado positrones en grandes cantidades [51] . Un láser hizo pasar 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 una velocidad y una densidad mayores que nunca antes en un laboratorio. Experimentos anteriores generaron cantidades más pequeñas de positrones utilizando láseres y objetivos tan finos como el papel; simulaciones más recientes demostraron que las ráfagas cortas de láseres ultraintensos y oro de un milímetro de espesor son una fuente mucho más eficaz. [52]
En 2023, se informó sobre la producción del primer haz de plasma de electrones y positrones gracias a una colaboración liderada por investigadores de la Universidad de Oxford que trabajan con la instalación de Alta Radiación a Materiales (HRMT) [53] en el CERN . [54] El haz demostró el mayor rendimiento de positrones logrado hasta ahora en un entorno de 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 un total de pares de electrones y positrones a través de un proceso de lluvia de partículas . Los haces de pares producidos tienen un volumen que llena múltiples esferas de Debye y, por lo tanto, pueden sostener oscilaciones de plasma colectivas. [54]
La existencia del antiprotón fue confirmada experimentalmente en 1955 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. [55] 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 opuestos a los del protón. Poco después, en 1956, Bruce Cork y sus colegas descubrieron el antineutrón en colisiones protón-protón en el Bevatron ( Lawrence Berkeley National Laboratory ) . [56]
Además de los antibariones , se han creado antinúcleos que consisten en múltiples antiprotones y antineutrones unidos. Estos se producen típicamente 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 informó sobre observaciones de núcleos de antideuterio en el Sincrotrón de Gradiente Alternado del Laboratorio Nacional de Brookhaven . [58]
En 1995, el CERN anunció que había logrado crear nueve átomos calientes de antihidrógeno mediante la implementación del concepto SLAC / Fermilab durante el experimento PS210 . El experimento se realizó utilizando el anillo antiprotón de baja energía (LEAR, por sus siglas en inglés) y fue dirigido por Walter Oelert y Mario Macri. [59] El Fermilab pronto confirmó los hallazgos del CERN al producir aproximadamente 100 átomos de antihidrógeno en sus instalaciones. Los átomos de antihidrógeno creados durante el PS210 y los experimentos posteriores (tanto en el CERN como en el Fermilab) eran extremadamente energéticos y no eran adecuados para su estudio. Para resolver este obstáculo y obtener una mejor comprensión del antihidrógeno, se formaron dos colaboraciones a fines de la década de 1990, a saber, ATHENA y ATRAP .
En 1999, el CERN activó el Desacelerador de Antiprotones , un dispositivo capaz de desacelerar antiprotones desde3,5 GeV a5,3 MeV : todavía demasiado "caliente" para producir antihidrógeno eficaz para el estudio, pero un gran salto adelante. A finales de 2002, el proyecto ATHENA anunció que habían creado el primer antihidrógeno "frío" del mundo. [60] El proyecto ATRAP publicó resultados similares muy poco después. [61] Los antiprotones utilizados en estos experimentos se enfriaron desacelerándolos con el Desacelerador de Antiprotones, pasándolos a través de una fina lámina de aluminio y finalmente capturándolos en una trampa de Penning-Malmberg . [62] El proceso de enfriamiento general es viable, pero altamente ineficiente; aproximadamente 25 millones de antiprotones salen del Desacelerador de Antiprotones y aproximadamente 25.000 llegan a la trampa de Penning-Malmberg, que está a unos 1/1000 o el 0,1% del importe original.
Los antiprotones todavía están calientes cuando están atrapados inicialmente. Para enfriarlos aún más, se mezclan en un plasma de electrones. Los electrones en este plasma se enfrían mediante radiación ciclotrónica y luego enfrían por simpatía a los antiprotones mediante colisiones de Coulomb . Finalmente, los electrones se eliminan mediante la aplicación de campos eléctricos de corta duración, lo que deja a los antiprotones con energías inferiores a100 meV . [63] Mientras los antiprotones se enfrían en la primera trampa, se captura una pequeña nube de positrones del sodio radiactivo en un acumulador de positrones de estilo Surko. [64] Esta nube se vuelve a capturar en una segunda trampa cerca de los antiprotones. Las manipulaciones de los electrodos de la trampa hacen que los antiprotones se vuelquen hacia el plasma de positrones, donde algunos se combinan con 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. Se han creado algunos cientos de millones de átomos de antihidrógeno de esta manera.
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 CPT mediante la comparación de los espectros atómicos del hidrógeno y el antihidrógeno (véase la serie espectral del hidrógeno ). [65]
La mayoría de las pruebas de alta precisión buscadas de las propiedades del antihidrógeno solo podrían realizarse si el antihidrógeno estuviera atrapado, es decir, mantenido en su lugar durante un tiempo relativamente largo. Si bien los átomos de antihidrógeno son eléctricamente neutros, los espines de sus partículas componentes producen un momento magnético . Estos momentos magnéticos pueden interactuar con un campo magnético no homogéneo; algunos de los átomos de antihidrógeno pueden ser atraídos a un mínimo magnético. Tal mínimo puede crearse mediante una combinación de campos de espejo y multipolares. [66] El antihidrógeno puede quedar atrapado en una trampa de mínimo magnético de este tipo (mínimo-B); en noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que habían atrapado de esta manera 38 átomos de antihidrógeno durante aproximadamente una sexta parte de un segundo. [67] [68] Esta fue la primera vez que se había atrapado antimateria neutral.
El 26 de abril de 2011, ALPHA anunció que había atrapado 309 átomos de antihidrógeno, algunos de ellos durante 1.000 segundos (unos 17 minutos). Este tiempo fue el más largo que se había mantenido atrapada la antimateria neutra hasta entonces. [69] ALPHA ha utilizado estos átomos atrapados para iniciar investigaciones sobre las propiedades espectrales del antihidrógeno. [70]
En 2016 se construyó un nuevo desacelerador y enfriador de antiprotones llamado ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator). Este aparato toma los antiprotones del desacelerador de antiprotones y los enfría a 90 keV, una temperatura lo suficientemente "fría" para estudiarlos. Esta máquina funciona utilizando alta energía y acelerando las partículas dentro de la cámara. Se pueden capturar más de cien antiprotones por segundo, una gran mejora, pero aún se necesitarían varios miles de años para crear 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 indican que, cuando estén en pleno funcionamiento, sus instalaciones serán 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 ellos 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 antihelio-3 (3
Él
) fueron observados por primera vez en la década de 1970 en experimentos de colisión de protones y núcleos en el Instituto de Física de Altas Energías por el grupo de Y. Prockoshkin (Protvino cerca de Moscú, URSS) [73] y luego creados en experimentos de colisión de núcleo-núcleo. [74] Las colisiones de núcleo-núcleo producen antinúcleos a través de la coalescencia de antiprotones y antineutrones creados en estas reacciones. En 2011, el detector STAR informó la observación de núcleos de antihelio-4 creados artificialmente (partículas anti-alfa) (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 puede almacenarse en un recipiente hecho de materia ordinaria porque reacciona con cualquier materia que toque, aniquilándose a sí misma y a una cantidad igual del recipiente. La antimateria en forma de partículas cargadas puede ser contenida por una combinación de campos eléctricos y magnéticos , en un dispositivo llamado trampa de Penning . Este dispositivo, sin embargo, no puede contener antimateria que consiste en partículas no cargadas, 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 ser atrapadas y enfriadas con radiación láser ligeramente fuera de resonancia utilizando una trampa magneto-óptica o trampa magnética . Las partículas pequeñas también pueden suspenderse con pinzas ópticas , utilizando un haz láser altamente enfocado. [78]
En 2011, los científicos del CERN lograron conservar 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 de Penning durante 405 días. [80] En 2018 se propuso desarrollar una tecnología de contención lo suficientemente avanzada como para contener mil millones de antiprotones en un dispositivo portátil que se transportaría 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 las reacciones en los aceleradores de partículas) y a que existe una mayor demanda de otros usos de los aceleradores de partículas . Según el CERN, ha costado unos cientos de millones de francos suizos producir alrededor de una milmillonésima parte de un gramo (la cantidad utilizada hasta ahora para las colisiones de partículas/antipartículas). [84] En comparación, para producir la primera arma atómica, el coste del Proyecto Manhattan se estimó en 23 mil millones de dólares con la inflación durante 2007. [85]
Varios estudios financiados por NASA Innovative Advanced Concepts 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 a un menor costo por gramo. [86]
Las reacciones materia-antimateria tienen aplicaciones prácticas en la obtención de imágenes médicas, como la tomografía por emisión de positrones (PET). En la desintegración beta positiva , un nucleido pierde la carga positiva sobrante al emitir un positrón (en el mismo caso, un protón se convierte en un neutrón y también se emite un neutrino ). Los nucleidos con carga positiva sobrante se generan 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 tipos de cáncer, en un método similar al que se utiliza actualmente para la terapia iónica (protónica). [87]
La antimateria aislada y almacenada podría utilizarse como combustible para viajes interplanetarios o interestelares [88] como parte de un sistema de propulsión de pulso nuclear catalizado por antimateria u otro cohete de antimateria . Dado que la densidad energética de la antimateria es mayor que la de los combustibles convencionales, una nave espacial alimentada con antimateria tendría una relación empuje-peso mayor que una nave espacial convencional.
Si las colisiones materia-antimateria resultaran únicamente en 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 se puede liberar, hoy en día, mediante fisión nuclear (aproximadamente200 MeV por reacción de fisión [90] o8 × 10 13 J/kg ), y aproximadamente 2 órdenes de magnitud mayores 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 = mc2 ), o el equivalente aproximado de 43 megatones de TNT, ligeramente menos que el rendimiento de la Bomba del Zar de 27.000 kg , el arma termonuclear más grande 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 el empuje. En las reacciones entre protones y antiprotones, su energía se convierte en gran parte en piones neutros y cargados relativistas . 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 alrededor del 22% de la energía de los piones cargados) y muones cargados inestables (que transportan alrededor del 78% de la energía del pión cargado), y los muones luego se desintegran en una combinación de electrones, positrones y neutrinos (cf. desintegración del muón ; los neutrinos de esta desintegración transportan alrededor de 2/3 de la energía de los muones, lo que significa que 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 detonante para 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 los EE. UU. financió estudios de la física de la antimateria en la Guerra Fría , y comenzó a considerar su posible uso en armas, no solo como detonante, sino como el explosivo mismo. [94]
La conservación de la materia significa la conservación del número bariónico
A
y del número leptónico
L
, siendo
A
y
L
números algebraicos. Los positivos
A
y
L
están asociados a partículas de materia, los negativos
A
y
L
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
(asociada a todas las interacciones conocidas).
La antimateria es la sustancia más cara de la Tierra
"Un cálculo aproximado 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.
