El hallazgo de antimateria exótica podría clarificar las simetrías cósmicas

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Colisiones de núcleos de oro

Los físicos dicen que han detectado el “anti-núcleo” más pesado hasta la fecha, un raro espécimen de una especie de forma especular de la materia común.

El hallazgo podría arrojar luz sobre las simetrías cósmicas, y las asimetrías, que explican por qué la mayor parte de la antimateria producida originalmente en el nacimiento del universo, desapareció, de acuerdo con los científicos.

Una antipartícula es una variante de uno de los bloques básicos de la materia común que tiene igual peso pero opuesta carga eléctrica, y otros aspectos, a su homólogo de partícula “normal”. De la misma forma que un núcleo es la base de un átomo común, un anti-núcleo es el centro de un “anti-átomo”.

El recién encontrado anti-núcleo, también contiene el primer ejemplo de un componente básico menor, e igualmente exótico, que los físicos llaman anti-quark extraño.

El descubrimiento “puede tener unas consecuencias sin precendentes para nuestra visión del mundo”, dice el físico teórico Horst Stoe­cker, Vi­cepres­idente de la Asociación Helm­holtz de Laboratorios Nacionales Alemanes. “Esta antimateria abre la puerta a nuevas dimensiones del mapa nuclear – una idea que hace apenas unos años habría sido vista como imposible”.

El hallazgo, en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos, en Nueva York, puede también ayudar a arrojar luz sobre el funcionamiento de objetos celestes compactos, conocidos como estrellas de neutrones, dicen los investigadores.

El núcleo de un átomo normal de la Tierra consta de bloques básicos conocidos como protones y neutrones, los cuales, a su vez, contienen componentes menores llamados quarks. Estos quarks aparecen en dos tipos, arbitrariamente llamados variedades “up” (arriba) y “down” (abajo).

La Tabla Periódica Estándar de los Elementos es una rejilla ordenada por número de protones, los cuales determinan las propiedades de cada elemento químico en sus interacciones básicas con otros elementos.

Pero los físicos también usan un mapa más complejo en tres dimensiones que añade información sobre el distinto número de neutrones que pueden aparecer en muestras de cada elemento. El mapa 3-D también indica un número conocido como “extrañeza”, el cual depende de la presencia de los conocidos como quarks “strange” (extraños). Los núcleos que contienen uno o más quarks extraños son conocidos como hipernúcleos.

Para la materia común sin quarks extraños, la extrañeza es cero y el mapa es plano. Los hipernúcleos se cartografían en una rejilla separada, que se muestra como si estuviese flotando sobre la tabla estándar. El nuevo descubrimiento de antimateria extraña con anti-quarks extraños — un “an­ti­-hipernúcleo” — marca la primera entrada por debajo de la rejilla estándar, explican los científicos.

La extraña partícula se detectó como resultado de colisiones de alta velocidad de núcleos de oro en el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC), el colisionador del laboratorio Brook­ha­ven. Los resultados se publicaron en la edición on-line del 4 de marzo de la revista de investigación Sci­ence.

El estudio del nuevo anti-hipernúcleo también arroja una valiosa muestra de hipernúcleos, y tiene implicaciones para la comprensión de la estructura de las estrellas colapsadas, conocidas como estrellas de neutrones, dicen los investigadores. “El valor de extrañeza podría ser distinto de cero en el núcleo de las estrellas colapsadas”, dice Jin­hui Chen, uno de los autores principales, del Instituto de Shang­hai de Física Aplicada e investigador de posdoctorado en la Universidad Estatal de Kent en Ohio. Las nuevas medidas “nos ayudarán a distinguir entre los modelos que describen estos exóticos estados de la materia”.

Los hallazgos también allanan el camino para explorar las violaciones de simetrías fundamentales entre materia y antimateria que tuvieron lugar en los inicios del universo, haciendo posible la propia existencia de nuestro mundo, añaden los científicos.

Las colisiones entre núcleos atómicos se cree que reproducen fugazmente las condiciones que existieron una minúscula fracción de segundo tras el Big Bang, el cual, según piensan los científicos, dio origen al universo que conocemos hace unos 13 700 millones de años.

En ambos eventos, quarks y an­ti­quarks surgen con igual abundancia, de acuerdo con los físicos. En el laboratorio, entre la colisión de fragmentos que sobreviven al estado final, las medidas de materia y antimateria son casi igual de abundantes. Por contra, la antimateria parece estar ausente en gran parte del universo actual.

“Comprender exactamente cómo y por qué hay una predominancia de materia sobre antimateria, sigue siendo un gran problema sin resolver en la física”, dice el físico de Brook­ha­ven Zhang­bu Xu, otro de los autores principales del estudio. “Una solución requerirá la medida de sutiles desviaciones respecto de la simetría perfecta entre materia y antimateria, y aquí hay una buena promesa para futuras medidas de antimateria en el RHIC para abordar este tema clave”.

En una única colisión de núcleos de oro en el colisionador, muchos cientos de partículas estallan en el punto de impacto. La mayor parte de ellas en realidad no procede de los objetos anteriores en colisión, sino que se forman a partir de la energía del impacto, mediante la conversión de energía en masa de acuerdo con la famosa ecuación de Ein­stein E = mc2.

Las partículas dejan un rastro revelador en los detectores unidos al colisionador, conocido como detector STAR. Los científicos analizaron aproximadamente 100 millones de colisiones para observar el nuevo anti-núcleo, el cual no es detectable por sí mismo, sino que se identifica a través de los subproductos en los que se desintegra. En total, se detectaron 70 especímenes de los nuevos anti-núcleos.

Los científicos del detector STAR, que proceden de 54 in­sti­tu­ciones de 13 países, dicen que deberían ser capaces de descubrir pronto núcleos incluso más pesados. El físico teórico Stoe­cker y su equipo han predicho que núcleos extraños de aproximadamente el doble de masa del recién descubierto, deberían ser particularmente estables.


Fecha Original: 4 de marzo de 2010
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