Antimateria

En la física moderna , la antimateria se define como la materia que se compone de las antipartículas (o "socios") de las correspondientes partículas de materia "ordinaria". Diariamente se generan cantidades minúsculas de antipartículas en los aceleradores de partículas (la producción total ha sido de solo unos pocos nanogramos [1] (ng)) y en procesos naturales como colisiones de rayos cósmicos y algunos tipos de desintegración radiactiva , pero solo una pequeña fracción de estos se ha logrado. se unieron en experimentos para formar anti-átomos. No macroscópico cantidad de antimateria alguna vez se ha ensamblado debido al costo extremo y la dificultad de producción y manejo.

Teóricamente, una partícula y su antipartícula (por ejemplo, un protón y un antiprotón ) tienen la misma masa , pero carga eléctrica opuesta y otras diferencias en números cuánticos . Por ejemplo, un protón tiene carga positiva mientras que un antiprotón tiene carga negativa.

Una colisión entre cualquier partícula y su pareja anti-partícula conduce a su aniquilación mutua , dando lugar a diversas proporciones de fotones intensos ( rayos gamma ), neutrinos y, a veces, pares partícula-antipartícula menos masivos. La mayor parte de la energía total de aniquilación surge en forma de radiación ionizante . Si hay materia circundante, el contenido energético de esta radiación se absorberá y se convertirá en otras formas de energía, como calor o luz. La cantidad de energía liberada suele ser proporcional a la masa total de materia y antimateria en colisión, de acuerdo con la notable ecuación de equivalencia masa-energía , E = mc 2 . [2]

Las partículas de antimateria se unen entre sí para formar antimateria, al igual que las partículas ordinarias se unen para formar materia normal. Por ejemplo, un positrón (la antipartícula del electrón ) y un antiprotón (la antipartícula del protón) pueden formar un átomo de antihidrógeno . Los núcleos de antihelio se han producido artificialmente, aunque con dificultad, y son los antinúcleos más complejos observados hasta ahora. [3] Los principios físicos indican que son posibles núcleos atómicos de antimateria complejos, así como antátomos correspondientes a los elementos químicos conocidos.

Existe una fuerte evidencia de que el universo observable está compuesto casi en su totalidad por materia ordinaria, en oposición a una mezcla igual de materia y antimateria. [4] Esta asimetría de materia y antimateria en el universo visible es uno de los grandes problemas sin resolver de la física . [5] El proceso por el cual se desarrolló esta desigualdad entre la materia y las partículas de antimateria se llama bariogénesis .

Hay unos 500 destellos de rayos gamma terrestres al día. Los puntos rojos muestran los detectados por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi en 2010. Las áreas azules indican dónde pueden ocurrir relámpagos potenciales para los destellos de rayos gamma terrestres .
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Un video que muestra cómo los científicos utilizaron el detector de rayos gamma del telescopio espacial de rayos gamma Fermi para descubrir ráfagas de antimateria de tormentas eléctricas.

Las partículas de antimateria se pueden definir por su número de bariones o número de leptones negativos , mientras que las partículas de materia "normal" (no antimateria) tienen un número de bariones o leptones positivo. [6] [7] Estas dos clases de partículas son las antipartículas asociadas entre sí. Un " positrón " es el equivalente en antimateria del " electrón ". [8]

El término francés contra-terrene llevó al inicialismo "CT" y al término de ciencia ficción "seetee", [9] como se usa en novelas como Seetee Ship . [10]

La idea de materia negativa aparece en teorías pasadas de la materia que ahora han sido abandonadas. Usando la alguna vez popular teoría de la gravedad del vórtice , William Hicks discutió la posibilidad de materia con gravedad negativa en la década de 1880. Entre las décadas de 1880 y 1890, Karl Pearson propuso la existencia de "chorros" [11] y sumideros del flujo de éter . Los chorros representaban materia normal y los sumideros representaban materia negativa. La teoría de Pearson requería una cuarta dimensión para que el éter fluyera desde y hacia adentro. [12]

El término antimateria fue utilizado por primera vez por Arthur Schuster en dos cartas bastante extravagantes a Nature en 1898, [13] en las que acuñó el término. Él planteó la hipótesis de los antiatómicos, así como de los sistemas solares de antimateria completos, y discutió la posibilidad de que la materia y la antimateria se aniquilaran entre sí. Las ideas de Schuster no eran una propuesta teórica seria, meramente especulación y, como las ideas anteriores, se diferenciaban del concepto moderno de antimateria en que poseía gravedad negativa . [14]

La teoría moderna de la antimateria comenzó en 1928, con un artículo [15] de Paul Dirac . Dirac se dio cuenta de que su versión relativista de la ecuación de onda de Schrödinger para electrones predijo la posibilidad de antielectrones . Estos fueron descubiertos por Carl D. Anderson en 1932 y nombrados positrones a partir de "electrón positivo". Aunque Dirac no utilizó el término antimateria, su uso se deriva de forma bastante natural de antielectrones, antiprotones, etc. [16] Charles Janet concibió una tabla periódica completa de antimateria en 1929. [17]

La interpretación de Feynman-Stueckelberg establece que la antimateria y las antipartículas son partículas regulares que viajan hacia atrás en el tiempo. [18]

Una forma de denotar una antipartícula es agregando una barra sobre el símbolo de la partícula. Por ejemplo, el protón y el antiprotón se denotan como
pag
 y
pag
, respectivamente. La misma regla se aplica si uno se dirigiera a una partícula por sus componentes constituyentes. Un protón se compone detu
tu
D quarks , por lo que un antiprotón debe formarse a partir detu
tu
D antiquarks . Otra convención es distinguir partículas por carga eléctrica positiva y negativa . Por lo tanto, el electrón y el positrón se denotan simplemente como
mi-
 y
mi+
respectivamente. Sin embargo, para evitar confusiones, las dos convenciones nunca se mezclan.

Las propiedades antigravitacionales teorizadas de la antimateria se están probando actualmente en el experimento AEGIS en el CERN. [19] La antimateria que entra en contacto con la materia aniquilará a ambos dejando atrás energía pura. [20] Se necesitan investigaciones para estudiar los posibles efectos gravitacionales entre la materia y la antimateria, y entre la antimateria y la antimateria. Sin embargo, la investigación es difícil considerando que cuando los dos se encuentran se aniquilan, junto con las dificultades actuales de capturar y contener antimateria.

Hay razones teóricas convincentes para creer que, además del hecho de que las antipartículas tienen diferentes signos en todas las cargas (como cargas eléctricas y bariónicas), la materia y la antimateria tienen exactamente las mismas propiedades. [21] [22] Esto significa que una partícula y su antipartícula correspondiente deben tener masas y vidas de desintegración idénticas (si son inestables). También implica que, por ejemplo, una estrella compuesta de antimateria (una "antiestrella") brillará como una estrella ordinaria. [23] Esta idea fue probada experimentalmente en 2016 por el experimento ALPHA , que midió la transición entre los dos estados de energía más bajos del antihidrógeno . Los resultados, que son idénticos a los del hidrógeno, confirmaron la validez de la mecánica cuántica para la antimateria. [24] [25]

La mayor parte de la materia observable desde la Tierra parece estar hecha de materia en lugar de antimateria. Si existieran regiones del espacio dominadas por la antimateria, los rayos gamma producidos en las reacciones de aniquilación a lo largo del límite entre las regiones de materia y antimateria serían detectables. [26]

Las antipartículas se crean en todas partes del universo donde tienen lugar las colisiones de partículas de alta energía. Los rayos cósmicos de alta energía que impactan la atmósfera de la Tierra (o cualquier otra materia del Sistema Solar ) producen cantidades diminutas de antipartículas en los chorros de partículas resultantes , que se aniquilan inmediatamente al entrar en contacto con la materia cercana. De manera similar, pueden producirse en regiones como el centro de la Vía Láctea y otras galaxias, donde ocurren eventos celestes muy energéticos (principalmente la interacción de chorros relativistas con el medio interestelar ). La presencia de la antimateria resultante es detectable por los dos rayos gamma que se producen cada vez que los positrones se aniquilan con la materia cercana. La frecuencia y longitud de onda de los rayos gamma indican que cada uno lleva 511  keV de energía (es decir, la masa en reposo de un electrón multiplicada por c 2 ).

Observaciones de la Agencia Espacial Europea 's por satélite INTEGRAL pueden explicar el origen de una nube gigante de la antimateria que rodea el centro galáctico. Las observaciones muestran que la nube es asimétrica y coincide con el patrón de las binarias de rayos X (sistemas de estrellas binarias que contienen agujeros negros o estrellas de neutrones), principalmente en un lado del centro galáctico. Si bien el mecanismo no se comprende completamente, es probable que implique la producción de pares de electrones y positrones, ya que la materia ordinaria gana energía cinética mientras cae en un remanente estelar . [27] [28]

La antimateria puede existir en cantidades relativamente grandes en galaxias lejanas debido a la inflación cósmica en el tiempo primordial del universo. Se espera que las galaxias de antimateria, si existen, tengan la misma química y los mismos espectros de absorción y emisión que las galaxias de materia normal, y sus objetos astronómicos serían observacionalmente idénticos, lo que los haría difíciles de distinguir. [29] La NASA está tratando de determinar si existen tales galaxias buscando firmas de rayos X y rayos gamma de eventos de aniquilación en supercúmulos en colisión . [30]

En octubre de 2017, los científicos que trabajaban en el experimento BASE en el CERN informaron una medición del momento magnético antiprotón con una precisión de 1,5 partes por mil millones. [31] [32] Es consistente con la medición más precisa del momento magnético del protón (también realizada por BASE en 2014), que apoya la hipótesis de la simetría CPT . Esta medida representa la primera vez que una propiedad de la antimateria se conoce con mayor precisión que la propiedad equivalente en la materia.

La interferometría cuántica de antimateria se ha demostrado por primera vez en el laboratorio L-NESS de R. Ferragut en Como (Italia), por un grupo liderado por M. Giammarchi. [33]

Los positrones se producen naturalmente en desintegraciones β + de isótopos radiactivos naturales (por ejemplo, potasio-40 ) y en interacciones de gamma cuantos (emitidos por núcleos radiactivos) con la materia. Antineutrinos son otro tipo de antipartícula creado por radiactividad natural (β - decaimiento). Los rayos cósmicos también producen (y contienen) muchos tipos diferentes de antipartículas . En enero de 2011, una investigación de la Sociedad Astronómica Estadounidense descubrió que la antimateria (positrones) se originaba por encima de las nubes de tormenta ; los positrones se producen en destellos de rayos gamma terrestres creados por electrones acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes. [34] [35] También se ha encontrado que existen antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra por el módulo PAMELA . [36] [37]

Las antipartículas también se producen en cualquier entorno con una temperatura suficientemente alta (energía media de las partículas mayor que el umbral de producción del par ). Se plantea la hipótesis de que durante el período de bariogénesis, cuando el universo era extremadamente caliente y denso, la materia y la antimateria se producían y aniquilaban continuamente. La presencia de materia remanente y la ausencia de antimateria remanente detectable [38] se denomina asimetría bariónica . El mecanismo exacto que produjo esta asimetría durante la bariogénesis sigue siendo un problema sin resolver. Una de las condiciones necesarias para esta asimetría es la violación de la simetría CP , que se ha observado experimentalmente en la interacción débil .

Observaciones recientes indican que los agujeros negros y las estrellas de neutrones producen grandes cantidades de plasma de positrones y electrones a través de los chorros. [39] [40]

Observación en rayos cósmicos

Los experimentos de satélites han encontrado evidencia de positrones y algunos antiprotones en los rayos cósmicos primarios, que ascienden a menos del 1% de las partículas en los rayos cósmicos primarios. No es posible que toda esta antimateria haya sido creada en el Big Bang, sino que se le atribuye haber sido producida por procesos cíclicos a altas energías. Por ejemplo, los pares de electrones y positrones pueden formarse en púlsares , ya que un ciclo de rotación de una estrella de neutrones magnetizada corta los pares de electrones y positrones de la superficie de la estrella. Allí, la antimateria forma un viento que choca contra la eyección de las supernovas progenitoras. Esta erosión tiene lugar cuando "el viento relativista frío y magnetizado lanzado por la estrella golpea la eyección que se expande de manera no relativista, se forma un sistema de ondas de choque en el impacto: el exterior se propaga en la eyección, mientras que un choque inverso se propaga hacia la estrella . " [41] La primera expulsión de materia en la onda de choque exterior y la última producción de antimateria en la onda de choque inversa son pasos en un ciclo del clima espacial.

Los resultados preliminares del Espectrómetro Magnético Alfa ( AMS-02 ) actualmente en funcionamiento a bordo de la Estación Espacial Internacional muestran que los positrones en los rayos cósmicos llegan sin direccionalidad y con energías que oscilan entre 10 GeV y 250 GeV. En septiembre de 2014, se presentaron nuevos resultados con casi el doble de datos en una charla en el CERN y se publicaron en Physical Review Letters. [42] [43] Se informó una nueva medición de la fracción de positrones de hasta 500 GeV, que muestra que la fracción de positrones alcanza un máximo de aproximadamente el 16% de los eventos totales de electrones + positrones, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la relación de positrones a electrones comienza a caer nuevamente. El flujo absoluto de positrones también comienza a descender antes de los 500 GeV, pero alcanza un máximo a energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan un máximo de unos 10 GeV. [44] Se ha sugerido que estos resultados en la interpretación se deben a la producción de positrones en eventos de aniquilación de partículas masivas de materia oscura . [45]

Los antiprotones de rayos cósmicos también tienen una energía mucho más alta que sus homólogos de materia normal (protones). Llegan a la Tierra con una energía característica máxima de 2 GeV, lo que indica su producción en un proceso fundamentalmente diferente al de los protones de rayos cósmicos, que en promedio tienen solo una sexta parte de la energía. [46]

Existe una búsqueda en curso de núcleos de antimateria más grandes, como núcleos de antihelio (es decir, partículas anti-alfa), en los rayos cósmicos. La detección de antihelio natural podría implicar la existencia de grandes estructuras de antimateria como un antiestático. Un prototipo del AMS-02 designado AMS-01 , fue volado al espacio a bordo del Transbordador Espacial Discovery en STS-91 en junio de 1998. Al no detectar ningún antihelio , el AMS-01 estableció un límite superior de 1.1 × 10 - 6 para la relación de flujo de antihelio a helio . [47] AMS-02 reveló en diciembre de 2016 que había descubierto algunas señales consistentes con núcleos de antihelio en medio de varios miles de millones de núcleos de helio. El resultado está por verificar y el equipo está tratando de descartar la contaminación. [48]

Positrones

En noviembre de 2008 se informó que los positrones [49] habían sido generados por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en mayor número que por cualquier proceso sintético anterior. Un láser condujo electrones a través de los núcleos de un objetivo de oro , lo que provocó que los electrones entrantes emitieran cuantos de energía que se descomponían en materia y antimateria. Los positrones se detectaron a una tasa más alta y en mayor densidad que nunca antes detectada en un laboratorio. Experimentos anteriores produjeron cantidades más pequeñas de positrones utilizando láseres y objetivos delgados como el papel; Nuevas simulaciones mostraron que las ráfagas cortas de láseres ultra intensos y oro de un milímetro de espesor son una fuente mucho más efectiva. [50]

Antiprotones, antineutrones y antinúcleos

La existencia del antiprotón fue confirmada experimentalmente en 1955 por los físicos Emilio Segrè y Owen Chamberlain de la Universidad de California, Berkeley , por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1959 . [51] Un antiprotón consta de dos antiquarks arriba y un antiquark abajo ( tutuD). Todas las propiedades del antiprotón que se han medido coinciden con las propiedades correspondientes del protón, con la excepción del antiprotón que tiene carga eléctrica y momento magnético opuestos al protón. Poco después, en 1956, Bruce Cork y sus colegas descubrieron el antineutrón en colisiones protón-protón en el Bevatron ( Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ) . [52]

Además de los anti- bariones , se han creado anti-núcleos que constan de múltiples antiprotones y antineutrones unidos. Estos se producen típicamente a energías demasiado altas para formar átomos de antimateria (con positrones unidos en lugar de electrones). En 1965, un grupo de investigadores dirigido por Antonino Zichichi informó sobre la producción de núcleos de antideuterio en el Sincrotrón de Protones del CERN . [53] Aproximadamente al mismo tiempo, un grupo de físicos estadounidenses informó sobre observaciones de núcleos de antideuterio en el Sincrotrón de gradiente alterno del Laboratorio Nacional de Brookhaven . [54]

Átomos de antihidrógeno

En 1995, el CERN anunció que había logrado crear nueve átomos de antihidrógeno calientes mediante la implementación del concepto SLAC / Fermilab durante el experimento PS210 . El experimento se realizó utilizando el Anillo Antiprotón de Baja Energía (LEAR) y fue dirigido por Walter Oelert y Mario Macri. [55] Fermilab pronto confirmó los hallazgos del CERN al producir aproximadamente 100 átomos de antihidrógeno en sus instalaciones. Los átomos de antihidrógeno creados durante PS210 y los experimentos posteriores (tanto en el CERN como en el Fermilab) eran extremadamente enérgicos y no eran adecuados para el estudio. Para resolver este obstáculo y obtener una mejor comprensión del antihidrógeno, se formaron dos colaboraciones a fines de la década de 1990, a saber, ATHENA y ATRAP .

En 1999, el CERN activó el Antiproton Decelerator , un dispositivo capaz de desacelerar los antiprotones de3500  MeV hasta5,3 MeV  - todavía demasiado "caliente" para producir antihidrógeno eficaz en el estudio, pero un gran salto adelante. A finales de 2002, el proyecto ATHENA anunció que habían creado el primer antihidrógeno "frío" del mundo. [56] El proyecto ATRAP publicó resultados similares muy poco tiempo después. [57] Los antiprotones utilizados en estos experimentos se enfriaron desacelerando con el Antiproton Decelerator, pasándolos a través de una fina hoja de papel de aluminio y finalmente capturándolos en una trampa Penning-Malmberg . [58] El proceso de enfriamiento general es viable, pero muy ineficaz; Aproximadamente 25 millones de antiprotones abandonan el Antiproton Decelerator y aproximadamente 25.000 llegan a la trampa Penning-Malmberg, que es aproximadamente1/1000 o el 0,1% del importe original.

Los antiprotones todavía están calientes cuando se atrapan inicialmente. Para enfriarlos más, se mezclan en un plasma de electrones. Los electrones de este plasma se enfrían mediante radiación de ciclotrón y luego enfrían con simpatía los antiprotones mediante colisiones de Coulomb . Finalmente, los electrones se eliminan mediante la aplicación de campos eléctricos de corta duración, dejando los antiprotones con energías inferiores a100  meV . [59] Mientras se enfrían los antiprotones en la primera trampa, se captura una pequeña nube de positrones del sodio radiactivo en un acumulador de positrones estilo Surko. [60] Esta nube se vuelve a capturar en una segunda trampa cerca de los antiprotones. Las manipulaciones de los electrodos de la trampa luego inclinan los antiprotones hacia el plasma de positrones, donde algunos se combinan con los antiprotones para formar antihidrógeno. Este antihidrógeno neutro no se ve afectado por los campos eléctricos y magnéticos utilizados para atrapar los positrones y antiprotones cargados, y en unos pocos microsegundos el antihidrógeno golpea las paredes de la trampa, donde se aniquila. De esta forma se han fabricado cientos de millones de átomos de antihidrógeno.

En 2005, ATHENA se disolvió y algunos de los antiguos miembros (junto con otros) formaron la Colaboración ALPHA , que también tiene su sede en el CERN. El objetivo final de este esfuerzo es probar la simetría CPT mediante la comparación de los espectros atómicos de hidrógeno y antihidrógeno (ver series espectrales de hidrógeno ). [61]

En 2016 se construyó un nuevo desacelerador y enfriador de antiprotón llamado ELENA (desacelerador de antiprotón de energía extra baja). Toma los antiprotones del desacelerador de antiprotones y los enfría a 90 keV, que es lo suficientemente "frío" para estudiar. Esta máquina funciona utilizando alta energía y acelerando las partículas dentro de la cámara. Se pueden capturar más de cien antiprotones por segundo, una gran mejora, pero aún se necesitarían varios miles de años para producir un nanogramo de antimateria.

La mayoría de las buscadas pruebas de alta precisión de las propiedades del antihidrógeno solo podrían realizarse si el antihidrógeno queda atrapado, es decir, si se mantiene en su lugar durante un tiempo relativamente largo. Mientras que los átomos de antihidrógeno son eléctricamente neutros, los giros de las partículas que los componen producen un momento magnético . Estos momentos magnéticos pueden interactuar con un campo magnético no homogéneo; algunos de los átomos de antihidrógeno pueden ser atraídos a un mínimo magnético. Este mínimo puede crearse mediante una combinación de campos espejo y multipolares. [62] El antihidrógeno puede quedar atrapado en una trampa magnética mínima (mínima B); en noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que habían atrapado 38 átomos de antihidrógeno durante aproximadamente una sexta parte de un segundo. [63] [64] Esta fue la primera vez que la antimateria neutra quedó atrapada.

El 26 de abril de 2011, ALPHA anunció que habían atrapado 309 átomos de antihidrógeno, algunos durante hasta 1,000 segundos (aproximadamente 17 minutos). Esto era más largo de lo que la antimateria neutra había estado atrapada antes. [65] ALPHA ha utilizado estos átomos atrapados para iniciar la investigación de las propiedades espectrales del antihidrógeno. [66]

El mayor factor limitante en la producción a gran escala de antimateria es la disponibilidad de antiprotones. Datos recientes publicados por el CERN afirman que, cuando están en pleno funcionamiento, sus instalaciones son capaces de producir diez millones de antiprotones por minuto. [67] Suponiendo una conversión del 100% de antiprotones en antihidrógeno, se necesitarían 100 mil millones de años para producir 1 gramo o 1 mol de antihidrógeno (aproximadamente6,02 × 10 23 átomos de antihidrógeno).

Antihelio

Núcleos antihelio-3 (3
Él
) se observaron por primera vez en la década de 1970 en experimentos de colisión protón-núcleo en el Instituto de Física de Altas Energías por el grupo de Y. Prockoshkin (Protvino cerca de Moscú, URSS) [68] y luego se crearon en experimentos de colisión núcleo-núcleo. [69] Las colisiones núcleo-núcleo producen antinúcleos a través de la coalescencia de antiprotones y antineutrones creados en estas reacciones. En 2011, el detector STAR informó la observación de núcleos antihelio-4 creados artificialmente (partículas anti-alfa) (4
Él
) de tales colisiones. [70]

El espectrómetro magnético alfa de la Estación Espacial Internacional registró, a partir de 2021, ocho eventos que parecen indicar la detección de antihelio-3. [71] [72]

Preservación

La antimateria no se puede almacenar en un recipiente hecho de materia ordinaria porque la antimateria reacciona con cualquier materia que toca, aniquilándose a sí misma y a una cantidad igual del recipiente. La antimateria en forma de partículas cargadas se puede contener mediante una combinación de campos eléctricos y magnéticos , en un dispositivo llamado trampa de Penning . Sin embargo, este dispositivo no puede contener antimateria que consista en partículas no cargadas, para las cuales se utilizan trampas atómicas . En particular, dicha trampa puede utilizar el momento dipolar ( eléctrico o magnético ) de las partículas atrapadas. A alto vacío , la materia o las partículas de antimateria se pueden atrapar y enfriar con radiación láser ligeramente apagada utilizando una trampa magnetoóptica o una trampa magnética . Las partículas pequeñas también se pueden suspender con pinzas ópticas , utilizando un rayo láser altamente enfocado. [73]

En 2011, los científicos del CERN pudieron conservar el antihidrógeno durante aproximadamente 17 minutos. [74] El récord de almacenamiento de antipartículas lo tiene actualmente el experimento TRAP en el CERN: los antiprotones se mantuvieron en una trampa Penning durante 405 días. [75] En 2018 se hizo una propuesta para desarrollar una tecnología de contención lo suficientemente avanzada como para contener mil millones de antiprotones en un dispositivo portátil para llevarlo a otro laboratorio para una mayor experimentación. [76]

Costo

Los científicos afirman que la antimateria es el material más costoso de fabricar. [77] En 2006, Gerald Smith estimó que $ 250 millones podrían producir 10 miligramos de positrones [78] (equivalente a $ 25 mil millones por gramo); en 1999, la NASA dio una cifra de 62,5 billones de dólares por gramo de antihidrógeno. [77] Esto se debe a que la producción es difícil (solo se producen muy pocos antiprotones en las reacciones de los aceleradores de partículas) y a que existe una mayor demanda de otros usos de los aceleradores de partículas . Según el CERN, ha costado unos cientos de millones de francos suizos producir alrededor de una mil millonésima parte de un gramo (la cantidad utilizada hasta ahora para las colisiones de partículas / antipartículas). [79] En comparación, para producir la primera arma atómica, el costo del Proyecto Manhattan se estimó en $ 23 mil millones con inflación durante 2007. [80]

Varios estudios financiados por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA están explorando si sería posible usar palas magnéticas para recolectar la antimateria que se produce naturalmente en el cinturón de Van Allen de la Tierra y, en última instancia, en los cinturones de gigantes gaseosos, como Júpiter , con suerte. a un menor costo por gramo. [81]

Médico

Las reacciones materia-antimateria tienen aplicaciones prácticas en la imaginología médica, como la tomografía por emisión de positrones (PET). En la desintegración beta positiva , un nucleido pierde carga positiva excedente al emitir un positrón (en el mismo caso, un protón se convierte en un neutrón y también se emite un neutrino ). Los nucleidos con exceso de carga positiva se producen fácilmente en un ciclotrón y se generan ampliamente para uso médico. También se ha demostrado en experimentos de laboratorio que los antiprotones tienen el potencial de tratar ciertos cánceres, en un método similar que se usa actualmente para la terapia de iones (protones). [82]

Combustible

La antimateria aislada y almacenada podría usarse como combustible para viajes interplanetarios o interestelares [83] como parte de una propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria u otro cohete de antimateria . Dado que la densidad de energía de la antimateria es mayor que la de los combustibles convencionales, una nave espacial alimentada con antimateria tendría una relación empuje / peso más alta que una nave espacial convencional.

Si las colisiones entre materia y antimateria resultaran únicamente en la emisión de fotones , toda la masa en reposo de las partículas se convertiría en energía cinética . La energía por unidad de masa (9 × 10 16  J / kg ) es aproximadamente 10 órdenes de magnitud mayor que las energías químicas , [84] y aproximadamente 3 órdenes de magnitud mayor que la energía potencial nuclear que se puede liberar, hoy, utilizando la fisión nuclear (aproximadamente200 MeV por reacción de fisión [85] o8 × 10 13  J / kg ), y aproximadamente 2 órdenes de magnitud mayor que los mejores resultados posibles esperados de la fusión (aproximadamente6,3 × 10 14  J / kg para la cadena protón-protón ). La reacción de1  kg de antimateria con1 kg de materia produciría1.8 × 10 17  J (180 petajulios) de energía (según la fórmula de equivalencia masa-energía , E = mc 2 ), o el equivalente aproximado de 43 megatones de TNT, un poco menos que el rendimiento de la bomba Tsar de 27,000 kg , la más grande arma termonuclear alguna vez detonó.

No toda esa energía puede ser utilizada por ninguna tecnología de propulsión realista debido a la naturaleza de los productos de aniquilación. Si bien las reacciones electrón-positrón dan como resultado fotones de rayos gamma, estos son difíciles de dirigir y utilizar para el empuje. En las reacciones entre protones y antiprotones, su energía se convierte en gran parte en piones relativistas neutros y cargados . Los piones neutros se desintegran casi inmediatamente (con una vida útil de 85 attosegundos ) en fotones de alta energía, pero los piones cargados se desintegran más lentamente (con una vida útil de 26 nanosegundos) y pueden desviarse magnéticamente para producir empuje .

Los piones cargados finalmente se descomponen en una combinación de neutrinos (que transportan aproximadamente el 22% de la energía de los piones cargados) y muones cargados inestables (que transportan aproximadamente el 78% de la energía de los piones cargados), y los muones luego se descomponen en una combinación de electrones, positrones. y neutrinos (cf. desintegración de muones ; los neutrinos de esta desintegración transportan aproximadamente 2/3 de la energía de los muones, lo que significa que de los piones cargados originales, la fracción total de su energía convertida en neutrinos por una ruta u otra sería aproximadamente 0,22 + (2/3) ⋅0,78 = 0,74 ). [86]

Armas

La antimateria se ha considerado un mecanismo de activación de las armas nucleares. [87] Un obstáculo importante es la dificultad de producir antimateria en cantidades suficientemente grandes, y no hay evidencia de que alguna vez sea factible. [88] No obstante, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos financió estudios de la física de la antimateria en la Guerra Fría y comenzó a considerar su posible uso en armas, no solo como un disparador, sino como el explosivo en sí. [89]

  • Cosmología de Alfvén-Klein
  • Cometa antimateria
  • Interacción gravitacional de la antimateria  - teoría de la gravedad sobre la antimateria

  1. ^ "Diez cosas que quizás no sepas sobre la antimateria" . Revista de simetría . Consultado el 8 de noviembre de 2018 .
  2. ^ "Smidgen de antimateria rodea la tierra" . 11 de agosto de 2011. Archivado desde el original el 26 de septiembre de 2011.
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  • Schmidt, GR; Gerrish, HP; Martin, JJ; Smith, GA; Meyer, KJ "Producción de antimateria para aplicaciones de propulsión a corto plazo" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 6 de marzo de 2007.

  • Antimateria en In Our Time en la BBC
  • Video Freeview 'Antimateria' por Vega Science Trust y BBC / OU
  • Webcasts del CERN (se requiere RealPlayer)
  • ¿Qué es la antimateria? (de las Preguntas frecuentes del Centro de estudios sobre la materia de la antimateria)
  • Taylor, Allen (2012). "Ángeles y demonios" . Nuevo científico . CERN. 214 (2871): 31. Código Bibliográfico : 2012NewSc.214R..31T . doi : 10.1016 / S0262-4079 (12) 61690-X . Archivado desde el original el 27 de marzo de 2014.Preguntas frecuentes del CERN con información sobre la antimateria dirigida al lector en general, publicada en respuesta a la representación ficticia de la antimateria en Ángeles y demonios
  • Antimateria en Ángeles y Demonios, CERN
  • ¿Qué es la infracción directa de CP?
  • Ilustración animada de la producción de antihidrógeno en el CERN desde el Exploratorium .