El antiprotón ,
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, (pronunciada 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 un estallido de energía.
La existencia del antiprotón con carga eléctrica de−1 e , opuesto a la carga eléctrica de+1 e del protón, fue predicho por Paul Dirac en su conferencia del Premio Nobel de 1933. [4] Dirac recibió el Premio Nobel por la 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 opuesta. y girar .
El antiprotón fue confirmado experimentalmente por primera vez en 1955 en el acelerador de partículas Bevatron por los físicos Emilio Segrè y Owen Chamberlain de la Universidad de California en Berkeley , por lo que recibieron el Premio Nobel de Física de 1959 .
En términos de quarks de valencia , un antiprotón consta de dos antiquarks arriba y uno 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 una carga eléctrica y un momento magnético que son opuestos a los del protón, lo que es de esperarse del equivalente de antimateria de un protón. Las cuestiones de 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 a bordo de globos y, más recientemente, mediante detectores basados en satélites. La imagen 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 →
pag
+
pag
+
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 colisiones con otros átomos en el medio interestelar, y los antiprotones también pueden perderse "fugándose" fuera de la galaxia. [5]
El espectro de energía de los rayos cósmicos antiprotones ahora se mide de manera confiable y es consistente con esta imagen estándar de la producción de antiprotones por colisiones de rayos cósmicos. [5] Estas mediciones experimentales establecen límites superiores al número de antiprotones que podrían producirse de formas exóticas, como por ejemplo a partir de la aniquilación de partículas supersimétricas de materia oscura en la galaxia o de la radiación de Hawking causada por la evaporación de los agujeros negros primordiales . Esto también proporciona un límite inferior a la vida útil del antiprotón de aproximadamente 1 a 10 millones de años. Dado que el tiempo de almacenamiento galáctico de los antiprotones es de unos 10 millones de años, una vida 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 del antiprotón:
La simetría CPT predice que la magnitud de las propiedades del antiprotón está exactamente relacionada con las del protón. En particular, la simetría CPT predice que la masa y la vida útil del antiprotón serán las mismas que las del protón, y que la carga eléctrica y el momento magnético del antiprotón serán de signo opuesto e iguales en magnitud a los del protón. La simetría CPT es una consecuencia básica de la teoría cuántica de campos y nunca se ha detectado ninguna violación de la misma.
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Los antiprotones se producían de forma rutinaria en Fermilab para operaciones de física de colisionadores en el Tevatron , donde colisionaban con protones. El uso de antiprotones permite una energía promedio de colisiones entre quarks y antiquarks más alta que 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 mayor fracción del impulso del protón o antiprotón .
La formación de antiprotones requiere 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 rompen en una barra de iridio . Los protones rebotan en los núcleos de iridio con suficiente energía para que se cree materia . Se forman diversas partículas y antipartículas y los antiprotones se separan mediante imanes en el vacío .
En julio de 2011, el experimento ASACUSA en el 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 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. [11] [12] 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 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 carga-masa entre el antiprotón y el ion de hidrógeno cargado negativamente, el experimento BASE determinó que la relación carga-masa del antiprotón es idéntica a la del protón, hasta 16 partes por billón. [13] [14]
En experimentos de laboratorio se ha demostrado que los antiprotones tienen el potencial de tratar ciertos cánceres, en un método similar que se usa actualmente para la terapia de iones (protones) . [15] La principal diferencia entre la terapia con antiprotones y la terapia con protones es que después de la deposición de energía iónica, el antiprotón se aniquila, depositando energía adicional en la región cancerosa.
