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Físicos teóricos revelan el camino a un “muonio verdadero”

El “muonio verdadero”, un diminuto átomo propuesto teóricamente desde hace mucho tiempo pero nunca observado, podría observarse en actuales y futuros experimentos de súper-colisionadores, basándose en el trabajo teórico recientemente publicado por investigadores del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad Estatal de Arizona.

El muonio verdadero se propuso por primera vez hace más de 50 años, pero hasta ahora nadie había descubierto un método inequívoco mediante el cual podría crearse y observarse.

“Normalmente no trabajamos en esta área, pero un día estábamos tranquilamente charlando sobre cómo los experimentadores podían crear estados exóticos de la materia”, dice el teórico de SLAC Stanley Brodsky, que trabajó junto con Richard Lebed de ASU en el resultado. “Conforme avanzaba nuestra conversación, nos dimos cuenta ‘Bueno… simplemente imaginamos cómo hacer verdadero muonio”.

El muonio verdadero está formado de un muón y un anti-muón, y se distingue de lo que también se conoce como “muonio” a secas (muonium, en inglés), un átomo hecho de un electrón y un anti-muón.

Ambos, muones y anti-muones, se crean frecuentemente en la naturaleza cuando partículas energéticas del espacio –rayos cósmicos– impactan en la atmósfera de la Tierra.

Ambos tienen una efímera existencia, y su combinación, el “muonio verdadero”, decae naturalmente en otras partículas en unas billonésimas (10-12) de segundo. Esto hace que la observación del exótico átomo sea bastante difícil.

“El sistema del muonio verdadero es único”, dice Lebed, profesor asociado en el Departamento de Física de la ASU en la Facultad de Ciencias y Artes Liberales (College of Liberal Arts and Sciences).

“Es el más pequeño posible, y su física está determinada por la electricidad y el magnetismo, las mismas fuerzas que mantienen a los átomos comunes unidos; pero es 100 veces menor”, dice Lebed.

“Quedé asombrado al descubrir que no sólo nadie había producido jamás átomos de muonio verdadero, sino que además los métodos que proponíamos resultaban ser novedosos y factibles de inmediato”.

En un artículo publicado el 26 de mayo en la revista Physical Review Letters –“Production of the Smallest QED Atom: True Muonium (µ+µ-)– Brodsky y Lebed describen dos métodos mediante los cuales los aceleradores electrón-positrón podrían detectar la firma de la formación del verdadero muonio y su desintegración.

En el primer método, los rayos de electrones y positrones de un acelerador están acomodados para fusionarse, cruzándose en ángulo. Tal colisión produciría un único fotón, que se transformaría entonces en un átomo de verdadero muonio. Este átomo se vería claramente respecto al resto de partículas de desecho. Debido a que los átomos de muonio verdadero viajarían más rápido que lo que mandan las leyes de las leyes de la relatividad, se desintegrarían con más lentitud que en otros casos, haciendo su detección más fácil.

En el segundo método, los rayos de electrón y positrón colisionan de frente produciendo un átomo de muonio verdadero y un fotón, entrelazados en una nube de partículas de desecho.

Simplemente haciendo retroceder uno al otro, el muonio verdadero y el fotón se empujarían entre sí fuera de la nube de restos, creando una firma única que nunca antes se ha buscado.

“Es muy probable que ya se haya creado muonio verdadero usando esta segunda forma”, dice Brodsky. “Simplemente no lo han detectado”.

En su artículo, Lebed y Brodsky también describen un medio posible pero más complejo, mediante el cual los experimentadores podrían crear “tauonio verdadero”, un estado ligado de un leptón tau y su antipartícula. El tau se creó por primera vez en el anillo de almacenamiento SPEAR de SLAC, una hazaña por la que el físico de SLAC Martin Perl recibió el Premio Nobel de física de 1995.

“Una vez que se crean unos cuantos de estos átomos, se puede estudiar en detalle su estructura usando pulsos láser increíblemente rápidos”, dice Lebed. “Esto hace que sea un proyecto en verdad interdisciplinario, que combina la física de partículas, física atómica y óptica de vanguardia”.

Brodsky atribuye su hallazgo a una conjuncón de hechos: varias charlas, conversaciones e ideas sin relación entre sí, a lo largo de los años, piezas que encajaron súbitamente durante su conversación con Lebed.

“Una vez que pones juntas todas estas ideas, uno dice ¡Pues claro! ¿Por qué no?’ Este es el proceso de la ciencia: intentas relacionar todo lo nuevo a lo que ya conoces, creando conexiones lógicas”, dice Brodsky.

Ahora que las conexiones lógicas están firmemente establecidas, Brodsky dice que espera que uno de los colisionadores que hay en el mundo realice los experimentos que él y Lebed han descrito, y se pregunta: “¿Quién no querría ver una nueva forma de materia que nadie más ha visto antes?”

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