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Descubren un antihipernúcleo

Área: Física — Lunes, 8 de Marzo de 2010

Logran sintetizar un núcleo de antimateria compuesto por tres nucleones que contiene un quark extraño.

antihipernucleo

Según el modelo estándar de partículas, la materia se organiza en tres familias. La primera está formada por el quark arriba, el quark abajo (ambos partes constituyentes de neutrones y protones), el electrón y el neutrino del electrón (ambos leptones). La segunda está formada por el quark encantado, el quark extraño, y los leptones muón y neutrino muónico. La tercera familia está compuesta por los quark cima y fondo y los leptones tau y neutrino del tau. Todas estas partículas tienen espín semientero y por tanto son fermiones (que responden a las Estadística de Fermi-Dirac). Para organizar estas partículas están: los gluones (literalmente “pegamentones”) que unen los quarks entre sí, siendo los responsables de la fuerza nuclear fuerte; los fotones, responsables de las interacciones electromagnéticas; y las partículas W+, W- y Z0, que controlan las desintegraciones y son las responsables de la fuerza nuclear débil. Estas partículas mediadoras tienen todas espín entero y responden a la estadística de Bose-Einstein, son, por tanto, bosones.
De todo esto se sacan dos conclusiones. La primera es que, desde que se fueron agotando las letras griegas para las partículas compuestas y los norteamericanos entraron en este campo de la Física de Altas Energías, se usa una terminología bastante poco elegante no basada en palabras greco-latinas. La segunda es que toda la materia que nos rodea, vemos y tocamos está formada solamente por la primera familia del modelo. El resto parece sobrar. Así por ejemplo, podemos tener protones y neutrones solamente a base de quarks arriba y abajo. Con neutrones y protones podemos crear los núcleos de todos los elementos de la tabla periódica, incluyendo sus isótopos, y añadiendo electrones tenemos los átomos.
Para obtener las partículas de la segunda y tercera familias, o combinaciones de ellas, hay que concentrar mucha energía en un punto, y esperar a que se formen de manera espontánea partículas exóticas, gracias al equivalente masa-energía, aunque al poco tiempo se desintegren en partículas más corrientes. Muchas veces se forman pares de partícula-antipartícula.
Algo parecido sucedió al comienzo del Big-Bang, cuando se formaron muchas de estas partículas exóticas, pero todas desaparecieron al poco tiempo. Ahora sólo se dan en fenómenos naturales de altas energías o en nuestros aceleradores.

colision_en_RHIC
En cada colisión del RHIC se producen cientos de partículas que hay que analizar. En este caso gracias al detector STAR. Fuente: Brookhaven National Laboratory.

La síntesis de partículas a partir de energía no es sencilla, cuanto más pesadas son las partículas a sintetizar más energía se necesita, y las partículas de la segunda y tercera familia son bastante pesadas (cada vez más pesadas). Además, no es posible obtener quarks aislados así que hay que crear partículas compuestas (bariones o mesones) que las contengan. La manera para hacerlo es acelerar partículas corrientes en un acelerador hasta una velocidad próxima a la de la luz (velocidad a la que tienen mucha energía cinética) y hacerlas chocar entre sí. Para poder hacer esto las partículas en cuestión tienen que estar cargadas eléctricamente y aprovecharse de campos electromagnéticos para poder acelerarlas y confinarlas.
Además, como se tarda un tiempo en acelerarlas, y no se puede construir un túnel muy largo, se las hace girar en un anillo. Aquí surge el primer problema. Toda partícula cargada en aceleración (y forzarla a girar en círculos es una forma de aceleración) emite radiación sincrotrón, perdiendo energía en el proceso. Así que para alcanzar alta energía se necesita meter más energía de la que se pierde por radiación sincrotrón.
Una manera de solucionarlo es utilizar partículas pesadas (como por ejemplo protones), que generalmente son partículas compuestas que no dan colisiones limpias, pero que permiten alcanzar mucha energía sin mucha pérdida por radiación sincrotrón. El colmo de los colmos es hacer chocar núcleos de átomos pesados como el oro, haciendo circular iones de este elemento por un acelerador.
Una instalación que se dedica precisamente a esta tarea es el Colisionador de Iones Pesados Relativistas o RHIC en Brookhaven National Laboratory. Consiste en un acelerador de casi cuatro kilómetros de circunferencia. Recientemente, los científicos que allí trabajan han sintetizado el antinúcleo (núcleo compuesto por partículas de antimateria) más masivo hasta la fecha, publicando su hallazgo en Science Express el pasado cuatro de marzo.
Como es un antinucleo tiene una carga eléctrica negativa en lugar de positiva. Contiene concretamente un antiprotón, un antineutrón y una partícula neutra denominada antilambda. Es el primer antinúcleo en ser creado que contiene un antiquark extraño, pues esta antilambda contiene un antiquarks arriba, un antiquark abajo y un antiquark extraño.
Según Horst Stoecker, de la Asociación alemana Helmholtz, este descubrimiento podría tener unas consecuencias sin precedentes en nuestra visión del mundo, pues esta antimateria abriría la puerta a una nueva dimensión en la carta de núcleos. Hasta hace poco se creía que la síntesis de este tipo de núcleos era imposible.
Este descubrimiento podría ayudar a la creación de modelos de estrellas de neutrones y a explorar las asimetrías fundamentales en el universo primitivo, justo una fracción se segundo después del Big-Bang.
Los físicos que se dedican a este negocio usan frecuentemente tablas periódicas de los elementos que son tridimensionales. En ellas se tiene en cuenta no solamente los distintos isótopos, sino un número cuántico extra denominado extrañeza que depende de la presencia de quarks extraños. Para la materia ordinaria este número cuántico vale cero. Cuando hay más de uno de estos quarks entonces a estos núcleos se les llama hipernúcleos o antihipernúcleos si son de antimateria. Este descubrimiento consiste en la síntesis del primer antihipernúcleo.

tabla_periodica_3D
Tabla periódica en la que se tiene en cuenta la extrañeza (eje vertical), el número de protones (Z) y el número de neutrones (N). La parte negativa de los ejes corresponde a las antipartículas. Los antielementos se denotan por una línea horizontal sobre su símbolo. El núcleo reciéntenme descubierto está abajo a la izquierda marcado es rosa. Fuente: Brookhaven National Laboratory.

En estrellas colapsadas, como una estrella de neutrones, puede ocurrir que la extrañeza no sea nula, por lo que este hallazgo podría ayudar a distinguir entre modelos que describan estados exóticos de la materia que traten de explicar esos objetos. En el pasado se ha especulado con la posible existencia de objetos colapsados compuestos principalmente de materia extraña (de quarks extraños).
Este hallazgo podría además ayudar a entender la violación de la simetría fundamental entre materia y antimateria. Como ya sabemos, durante el Big Bang se produjo un exceso de materia sobre antimateria y por esta razón el Universo no es solamente una nube de radiación, sino que hay materia y prácticamente no hay antimateria. Este problema de la asimetría de materia-antimateria constituye un problema aún por resolver en Física.
Con el RHIC se alcanzan densidades de energía comparables a las existentes unos pocos microsegundos después del Big Bang, pero en las colisiones entre iones de oro se producen quarks y antiquark en la misma cantidad. La ruptura de esta simetría se tuvo que producir, por tanto, a una energía aún mayor o ser muy sutil. Para poder intentar solucionar este misterio se puede tratar de medir desviaciones sutiles entre materia y antimateria. Zhangbu Xu, del Brookhaven, cree que hay buenos expectativas de que futuras medidas en el RHIC permitan resolver este misterio. El equipo del detector STAR ha encontrado que la tasa a la que los antinúcleos es producida es consistente con lo esperado si nos basamos en la estadística de la sopa de quarks que se generan en las colisiones. Extrapolando los resultados obtenidos, los científicos de esta institución creen que podrán descubrir antinúcleos aún más pesados en las colisiones próximas. Según algunas predicciones hay núcleos el doble de pesados que el descubierto que contienen quarks extraños y que pueden ser especialmente estables.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa de Brookhaven National Laboratory.

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2 Comentarios

  1. Khinecapa:

    Solo puedo decir de momento que la ciencia no deja de sorprendernos. Gracias Neo

  2. lluís:

    Y esperate.Que lo que va a venir va ser “mu” gordo.De momento unas humildes algitas resulta que computan cuánticamente.En cuanto al artículo, realmente interesante. Esperemos que no sea un exceso matemático, por que ya se sabe que las matemáticas inventan mundos cada dos por tres. Quizás algunos de ellos sean realidad.Pero lo cierto, o al menos a mi me lo parece, es que todo es muy extraño. Quizás no tengamos demasiada idea de como pueda ser la materia.

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