El hallazgo de antimateria exótica podría clarificar las simetrías cósmicas

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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Comments (7)

  1. El artículo está bastante bien y nos explica cuestiones que, en Física, están predichas desde hace bastante tiempo. Todos tenemos una idea de lo que es un antiátomo en el que las partículas de los átomos ordinarios son reemplazadas por sus antipartículas, es decir, electrones por positrones, protones por antiprotones y neutrones por antineutrones. Un antiátomo no puede coexistir con un átomo ordinario, ya que ambos se aniquilarían con la producción de energía en forma de fotones de alta energía.

    El enigma de la antimateria y su (al parecer) ausencia del Universo actual, sólo se podría explicar por el hecho de que, en aquel Universo primitivo, la materia ordinaria (no se sabe porque razón) era más abundante que la antimateria y, como ambas se eliminan, finalmente quedó el exceso de materia bariónica que podemos ver, emite radiación y conforma las grandes estructuras del Universo, tales como los supercúmulos de galaxias que llevan, en sus complejos componentes, desde cúmulos y supercúmulos de estrellas hasta nebulosas, mundos y, en algún extraño caso (al menos de momento), seres vivos de los que, una pequeña parte, pueden llegar a pensar.

    Habría que saber, a ciencia cierta, qué pasó en aquellos primeros momentos inmediatos al Big Bang, cuando la temperatura era extremadamente alta y la densidad bariónica muy baja. Aquí nos hablan (y con razón) de que haciendo colisionar iones pesados, se puede conseguir materia exótica dependiendo de la temperatura del bombardeo de partículas. Los experimentos en el RHIC así lo confirma.

    Inmediatamente después de la transición de fase hadrón-quark en el interior de una estrella, no existe una configuración de equilibrio químico entre los quarks. En el punto de transición, la materia bariónica predominante son los quarks u y d con una pequela densidad de electrones. Así, la densidad de quark d es aproximadamente dos veces la densidad de quark u, debido al hecho de que la materia en las estrellas compactas es eléctricamente neutra.

    Por el Principio de exclusión de Pauli, sería energéticamente más favorable para los quark d decaer en quark s hasta restablecer el equilibrio entre sabores vía interacciónes débiles. UNos de los mayores logros alcanzados por los físicos en el último siglo, fue la construcción del Modelo Estámdar en la física de partículas elementales. Ester modelo sostiene que la materia en el Universo está formada por fermiones, divididos en quarks y leptones, que interactúan a través de los llamados bosones de calibre:

    el fotón (interacción electromagnética), los bosones W± y Zº (interacción débil), y 8 tipos de Gluones (interacción fuerte).

    Junto con los bosones de calibre, existen tres generaciones de fermiones referidos a los leptones que son: el electrón (eˉ) muón (µ) y tau (τ) con sus correspondientes neutrinos (ν) electrónico, muónico y tauónico.

    Cada sabor de los quarks , up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) y bottom (b), tiene tres colores (el sabor y el color son números cuánticos). Las partículas que aún no se han descubierto experimentalmente son el Bosón de Higgs, que cabe suponer sería responsable del origen de la masa de las partículas.

    Los quarks (hasta donde sabemos) son los componentes fundamentales tanto de los hadrones fermiónicos (bariones formados por la combinación de tres quarks) como los bosónicos (mesones formados por un quark y un antiquark). Sabemos que el núcleo de un átomo está compuesto por nucleones (protones y neutrones) que a su vez están compuestos por quarks (protón= uud, neutrón= ddu).

    Hasta aquí todo es normal y bien determinado. Sin embargo, lo que nos explica el artículo que arriba podemos leer nos habla de nuevos experimentos y de nuevos hallazgos que, de alguna manera, vienen a reforzar una ampliación de nuestros conocimientos de la materia y de los enigmas que la rodean. No podemos olvidar que, la antimateria, ha sido buscada por diferentes medios hasta lo más profundo del Universo y, el resultado obtenido, al menos de momento, ha sido negativo.

    ¿Qué misterios nos esconde el Universo que ni podemos imaginar?

    ¡Es tanto lo que nos queda por descubrir! Feyman incluso escribió un libro con ese título: El placer de descubrir.

  2. Jurl

    ¿Verdad que es un soplo de aire fresco ver tantos nombres en han y tan pocos en inglés? xD.

  3. Bueno, aquí nos hablan de simetrías cósmicas y, tenemos que pensar que todas las cosas del Universo, desde las grandes hasta las más pequeñas estructuras, están sometidas o son el balance de fuerzas opuestas de la Naturaleza que, finalmente, nos trae el equilibrio o la simetría que podemos observar a nuestro alrededor.

    Una estrella, por ejemplo, queda en equilibrio mediante dos fuerzas, una que mediante la fusión trata de expansionar la masa estelar y, la otra, la Gravedad emitida por la masa de la estrella que tiende a comprimirla, dichas fuerzas quedan perfectamente niveladas y, por ello, la estrella puede brillar en la secuencia principal durante miles de millones de años (menos si son masivas).

    Puesto que existe en la Naturaleza cuatro fuerzas con intensidades y alcances distintos, hay lugar para una variedad o diversidad de equilibrios muy diferentes con los que la materia se mantiene sometida a dos fuerzas opuestas y, si eso es así (que lo es), ¿por qué si existen los átomos no pueden ser hallados antiátomos?

    Es increíble la velocidad que (al menos en Física) está tomando la evolución del conocimiento de la materia y de lo que con ella y sus componentes podemos lograr. De seguir por este camino, en este mismo siglo se podrán ver cosas que, desde luego, ni podemos imaginar. De la mano de la nanociencia en todas sus vertientes vendrán enormes sorpresas y, no digamos de lo que nos traerá el LHC que tantos están denostando (sin razón).

    Todos estos nuevos avances están directamente relacionados con nuestra evolución que, sin ellos, se podría ver frenada y caminar en el sentido contrario. Nunca fue bueno estacionarse y quedar inamovible, el no querer saber lo que hay más allá, no es bueno. Sin embargo, nunca debemos dejar de lado la precaución debida pues, no pocas veces, nuestra osadía nos puede llevar a querer manejar aquello que aún, no podemos entender.

    Si caminamos en la debida dirección, si damos tiempo al tiempo, y, aunque de vez en cuando nos arriesguemos un poco (el espacio podría ser un ejemplo), finalmente llegaremos a la meta propuesta. No olvidemos que, la complejidad del Universo nos puede llevar en más de una ocasión a vivir peligrosamente pero, como se hubiera conocido el mundo sin aquellos viajeros.

    Verdaderamente, la Ciencia, es toda una aventura a la que muchos, no nos podemos resisitir. Desde un grano de arena en el vasto Universo, unos seres “insignificantes” como nosotros, tratamos de desentrañar los más profundos misterios de la Naturaleza misma.

    ¡Qué osados! Claro que…la curiosidad.

  4. Sagutxo

    Fantástico artículo y fantásticos los comentarios, Emilio & Co.

    Creo que muchos artículos del blog de Kanijo no son saboreados del todo por muchos lectores porque se pierden en los vericuetos del modelo estándar. Creo que voy a hacer un texto divulgativo sencillo y se lo voy a enviar a Manuel para que, si lo cree oportuno, lo cuelgue como referencia para entender y disfrutar de estas noticias.

    Lo que mucha gente no sabe es que el mundo del modelo estándar es fascinante y con muchas consecuencias no sólo para lo inmensamente pequeño, como lo son estos ladrillos de la Naturaleza, sino para lo inmensamente grande, como las grandes estructuras del Universo y su destino final.

    Del conocimiento de cómo es la estructura fina y el funcionamiento de la materia y la energía, junto con la estructura del tejido del tiempo y el espacio, dependen también cosas muy cotidianas y palpables, como el funcionamiento del ordenador con el cual podéis leer esto, el móvil que os comunica con las personas a las que queréis o el GPS que os ayuda a llegar a casa.

    Animo a todos a conocer la base del modelo estándar, que a pesar de parecer complejo, sus conceptos fundamentales son muy fáciles de entender hasta para un niño de 12 años.

    Si alguien quiere secundar la idea de un texto divulgativo y ayudarme, se admiten voluntarios.

    SalU2

  5. uno q pasaba por aquí

    hola gente,

    leyendo los últimos mensajes me permito recomendar para quien no lo conozca el libro “QED, the strange theory o light and matter”, escrito por el amigo Feynman. Supongo que estará en castellano, pero no sé su título.

    es un librito corto, conciso y permeable para cualquier lectora interesada, sin precisar conocimientos universitarios de física. (Yo por cierto soy astrofísico)

    Es lo mejor que he leído como introducción al modelo estándar

    salud

  6. Sagutxo

    Gracias Manuel. Me pondré a ello, tardaré una semana o así (lo haré en mis ratos libres, cuando el trabajo me lo permita). Te enviaré un borrador primero. Si alguien quiere aportar algo y desea ver el borrador, con gusto se lo facilitaré. Mi correo es sagutxo@hotmail.es

    “Uno que pasaba por aquí”, muchas gracias por tu ayuda, voy a ver si localizo el libro de Feynman, ya sea en inglés o en castellano.

    He visto ayer, buscando, que hay una explicación muy sencilla en una página llamada “The Particle Adventure”. Bueno, me pondré a ello mañana, que hoy hace sol y hay que aprovecharlo aquí en el norte :D

    SalU2

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