Escudriñando los restos de las colisiones de partículas que recrean las condiciones del universo temprano, los científicos ha medido la fuerza de la interacción entre pares de antiprotones
Al igual que la fuerza que mantiene los protones ordinarios juntos dentro de los núcleos de los átomos, la fuerza entre antiprotones es atractiva y fuerte.
Los experimentos se realizaron en ‘Relativistic Heavy Ion Collider’ (RHIC), del Servicio de Ciencia para la Investigación en Física Nuclear en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de Estados Unidos. Los resultados, publicados en la revista ‘Nature‘, podrían ofrecer una visión de trozos más grandes de antimateria, incluyendo núcleos de antimateria previamente detectados en el RHIC y ayudar a los científicos a explorar por qué el universo actual se compone principalmente de materia ordinaria sin apenas antimateria.
«The Big Bang —el comienzo del universo— produjo materia y antimateria en cantidades iguales. Pero no es el mundo que vemos hoy en día. La antimateria es extremadamente rara. Es un gran misterio«, explica Aihong Tang, físico de Brookhaven involucrado en el análisis, que empleó los datos recogidos por el detector STAR del RHIC.
«A pesar de que este rompecabezas se conoce desde hace décadas y que han surgido pequeñas pistas, sigue siendo uno de los grandes retos de la ciencia. Todo lo que aprendemos sobre la naturaleza de la antimateria puede potencialmente contribuir a la solución de este rompecabezas», agregó el experto.
RHIC es uno de los pocos lugares de la Tierra que es capaz de crear la materia difícil de alcanzar en cantidades abundantes, impactando los núcleos de átomos pesados como el oro con otro a casi la velocidad de la luz. Estas colisiones producen condiciones muy similares a las que se dieron en los microsegundos del universo después del Big Bang, con temperaturas 250.000 veces más calientes que el centro del Sol en una mota del tamaño de un núcleo atómico.
Toda esa energía empaquetada en un espacio tan pequeño crea un plasma de bloques de construcción fundamentales, quarks y gluones de la materia, y miles de nuevas partículas de materia y antimateria en cantidades iguales. «Estamos tomando ventaja de la capacidad de producir grandes cantidades de antimateria para poder llevar a cabo este estudio», afirma Tang.
STAR tiene experiencia previa en la detección y el estudio de formas raras de antimateria, incluyendo antipartículas alfa, los mayores núcleos de antimateria jamás creados en un laboratorio, cada uno formado de dos antiprotones y dos antineutrones. Esos experimentos les dieron una idea de cómo los antiprotones interactúan dentro de estos grandes objetos compuestos.
Pero en ese caso, «la fuerza entre los antiprotones es una convolución de las interacciones con el resto de partículas —subraya Tang—. Queríamos estudiar la simple interacción de antiprotones no unidos para obtener una visión ‘más limpia’ de esta fuerza». Para ello, se buscaron pares de antiprotones en los datos de STAR de las colisiones oro-oro que estaban lo suficientemente cerca para interactuar, a medida que surgieron de la bola de fuego de la colisión inicial.
«Vemos una gran cantidad de protones, los bloques básicos de construcción de átomos convencionales, que salen, y vemos casi igual número de antiprotones«, dice Zhengqiao Zhang, estudiante graduada en el equipo del profesor Yu-Gang Ma, del Instituto de Física Aplicada de Shanghai de la Academia China de Ciencias, que trabajó bajo la dirección de Tang cuando estuvo en Brookhaven. «Los antiprotones tienen el mismo aspecto que los protones, pero como son antimateria, tienen una carga negativa en lugar de positiva, por lo que doblan de manera opuesta en el campo magnético del detector», matiza.
«Al mirar a los que se golpean cerca unos de otros en el detector, podemos medir las correlaciones en ciertas propiedades que nos dan una idea de la fuerza entre pares de antiprotones, incluyendo su fuerza y el rango sobre el que actúa«, añade.
Los científicos descubrieron que la fuerza entre pares de antiprotones es de atracción, al igual que la fuerte fuerza nuclear que mantiene los átomos normales juntos. Cuando los antiprotones están muy juntos, la fuerte fuerza de interacción supera la tendencia del tipo de partículas cargadas (negativamente) para repeler a otras, de la misma manera que permite a los protones con carga positiva unirse el uno al otro dentro de los núcleos de los átomos ordinarios.
De hecho, las mediciones no muestran ninguna diferencia entre materia y antimateria en la manera en la que se comporta la fuerte fuerza. Es decir, dentro de la precisión de estas mediciones, la materia y la antimateria parecen ser perfectamente simétricas. Esto significa que, al menos, con la precisión que lograron los científicos, no parece ser un capricho asimétrico de la fuerza fuerte, sino que puede dar cuenta de la continua existencia de materia en el universo y la escasez de antimateria hoy.
«Hay muchas maneras de probar la asimetría materia/antimateria, y hay pruebas más precisas, pero además de la precisión, es importante probarlo en cualitativamente de diferentes maneras. Este experimento fue una nueva prueba cualitativa», afirma Richard Lednick, científico de STAR en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear, Dubna, y el Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias, en Praga.
«La implementación exitosa de la técnica utilizada en este análisis abre una posibilidad emocionante para explorar los detalles de la fuerte interacción entre otras especies de partículas producidas en abundancia«, afirma y señala que el RHIC y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) son ideales para estas mediciones, que son difíciles de evaluar por otros medios.
El misterio de la desigualdad entre materia y la antimateria
«El Big Bang —el comienzo del universo— produjo materia y antimateria en cantidades iguales. Pero no es así como se observa en el mundo actual: la antimateria es extremadamente escasa. ¡Es una gran misterio!», dice Aihong Tang, físico de Brookhaven. «Si bien este enigma se conoce hace décadas, y se han encontrado una pocas pistas, sigue siendo uno de los grandes desafíos de la ciencia. Todo lo que aprendamos sobre la naturaleza de la antimateria puede, potencialmente, contribuir a resolver este enigma.»
La búsqueda en los restos de las colisiones entre partículas que recrean las condiciones del inicio del universo, se pudo medir la fuerza de las interacciones entre pares de antiprotones. Al igual que la fuerza que puede unir los protones ordinariosdentro del núcleo de los átomos, esta fuerza entre antiprotones también es de atracción y es potente.
El RHIC es el sitio perfecto para estudiar la antimateria debido a que es uno de los pocos lugares que posee la ciencia capaz de crearla en cantidad.
La antimateria es producida haciendo chocar núcleos de átomos pesados como el oro y otros a cerca de la velocidad de la luz. Estas colisiones producen condiciones muy similares a las del universo en los primeros microsegundos después del Big Bang. La gran energía encerrada en un espacio tan pequeño crea un plasma de bloques fundamentales de la materia, y miles de partículas, materia y antimateria en cantidades iguales.
«Aprovechamos la capacidad de producir cantidades amplias de antimateria que nos permiten llevan este estudio», dice Tang.
La colaboración tiene experiencia en la detección y estudio de formas raras de antimateria, incluyendo las partículas anti-alfa, el núcleo de antimateria más grande que se ha creado en un laboratorio, formado de dos antiprotones y dos antineutrones. Esos experimentos permiten alguna mirada a cómo interactúan los antiprotones dentro de esos objetos compuestos grandes.
Fuente: The Daily Galaxy. Aportado por Eduardo J. Carletti
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