¿Cómo volar a Marte en un mes? Para hacer esto, necesitas darle un buen impulso a la nave espacial. Por desgracia, el mejor combustible disponible para el hombre: la energía nuclear da un impulso específico de 3000 segundos y el vuelo se prolonga durante muchos meses. ¿No hay algo más enérgico a la mano? Teóricamente existe: fusión termonuclear; proporciona un impulso de cientos de miles de segundos, y el uso de antimateria proporcionará un impulso de millones de segundos.
Los núcleos de antimateria están formados por antinucleones y la capa exterior está formada por positrones. Debido a la invariancia de la interacción fuerte con respecto a la conjugación de carga (invariancia C), los antinúcleos tienen el mismo espectro de masa y energía que los núcleos, que consisten en los nucleones correspondientes, y los átomos de antimateria y materia deben tener una estructura y propiedades químicas idénticas, con un solo HO, la colisión de un objeto, constituida por materia, con un objeto de antimateria conduce a la aniquilación de las partículas y antipartículas incluidas en su composición.
La aniquilación de electrones lentos y positrones conduce a la formación de gamma cuantos, y la aniquilación de nucleones lentos y antinucleones conduce a la formación de varios pi-mesones. Como resultado de las desintegraciones posteriores de los mesones, se forma radiación gamma dura con una energía de cuantos gamma de más de 70 MeV.
Los antielectrones (positrones) fueron predichos por P. Dirac y luego descubiertos experimentalmente en “lluvias” por P. Anderson, quien ni siquiera conocía la predicción de Dirac en ese momento. Este descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1936. Antiproton fue descubierto en 1955 en el Bevatron de Berkeley, que también recibió el Premio Nobel. En 1960, se descubrió allí un antineutrón. Con la puesta en servicio del acelerador Serpukhov, nuestros físicos también lograron avanzar en algunos aspectos: en 1969 se descubrieron allí núcleos de antihelio. Pero no se pudieron obtener los átomos de antimateria. Para ser sincero, durante toda la existencia de los aceleradores, las antipartículas han recibido cantidades insignificantes: todos los antiprotones sintetizados en el CERN en un año serán suficientes para hacer funcionar una bombilla eléctrica durante varios segundos.
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El primer mensaje sobre la síntesis de nueve átomos de antimateria-antihidrógeno en el marco del proyecto ATRAP (CERN) apareció en 1995. Habiendo existido durante unos 40 ns, estos átomos individuales murieron, liberando la cantidad prescrita de radiación (que se registró). Los objetivos fueron claros y justificaron los esfuerzos, se determinaron las tareas y en 1997, cerca de Ginebra, gracias a la ayuda financiera internacional, el CERN inició la construcción de un desselerador (no lo traduzcamos con el equivalente disonante de “inhibidor”), que permitió frenar (“enfriar”) los antiprotones en diez millones de veces más que la instalación de 1995. Este dispositivo, llamado Antiproton Moderator (AD), entró en servicio en febrero de 2002.
La configuración, después de que los antiprotones abandonan el anillo de desaceleración, consta de cuatro partes principales: una trampa para atrapar antiprotones, un anillo de almacenamiento de positrones, una trampa de mezcla y un detector de antihidrógeno. El flujo de antiprotón se desacelera primero por la radiación de microondas, luego se enfría como resultado del intercambio de calor con un flujo de electrones de baja energía, después de lo cual cae en una trampa, un mezclador, donde está a una temperatura de 15 K. El dispositivo de almacenamiento de positrones se ralentiza sucesivamente, captura y acumula positrones de una fuente radiactiva; aproximadamente la mitad de ellos caen en una trampa de mezcla, donde además son enfriados por radiación de sincrotrón. Todo esto es necesario para aumentar significativamente la probabilidad de formación de átomos de antihidrógeno.
En el Antiproton Moderator, comenzó una dura competencia entre dos grupos de científicos, participantes en los experimentos ATHENA (39 científicos de diferentes países del mundo) y ATRAP.
En Nature 2002, vol. 419, p. 439, ibid p. 456) publicado el 3 de octubre de 2002, el experimento ATHENA afirmó que habían logrado obtener 50.000 átomos de antimateria - antihidrógeno. La presencia de átomos de antimateria se registró en el momento de su aniquilación, lo que se evidenció por la intersección en un punto de las trazas de dos cuantos duros formados durante la aniquilación electrón-positrón y las trazas de piones resultantes de la aniquilación de un antiprotón y un protón. Se obtuvo el primer "retrato" de antimateria (foto al principio): una imagen de computadora sintetizada a partir de tales puntos. Dado que solo aquellos átomos que "se deslizaron" fuera de la trampa fueron aniquilados (y solo hubo 130 de los contados de manera confiable), los 50,000 átomos de antihidrógeno declarados solo crean un fondo invisible del "retrato".
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El problema es que la aniquilación de antihidrógeno se registró en un contexto general más fuerte de aniquilación de positrones y antiprotones. Esto, naturalmente, provocó un sano escepticismo entre los colegas del proyecto competidor adyacente ATRAP. Ellos, a su vez, habiendo sintetizado antihidrógeno en la misma instalación, pudieron registrar átomos de antihidrógeno con la ayuda de trampas magnéticas complejas sin ninguna señal de fondo. Los átomos de antihidrógeno formados en el experimento se volvieron eléctricamente neutros y, a diferencia de los positrones y antiprotones, podían abandonar libremente la región donde estaban confinadas las partículas cargadas. Fue allí, sin antecedentes, donde fueron registrados.
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Se estima que se formaron aproximadamente 170.000 átomos de antihidrógeno en la trampa, como informaron los investigadores en un artículo publicado en Physical Review Letters.
Y esto ya es un éxito. Ahora bien, la cantidad recibida de antihidrógeno puede ser suficiente para estudiar sus propiedades. Para los átomos de antihidrógeno, por ejemplo, se supone que mide la frecuencia de la transición electrónica 1s-2s (del estado fundamental al primer estado excitado) mediante métodos de espectroscopía láser de alta resolución. (La frecuencia de esta transición en el hidrógeno se conoce con una precisión de 1.8 · 10-14; no en vano el máser de hidrógeno se considera un estándar de frecuencia). Según la teoría, deberían ser los mismos que en el hidrógeno ordinario. Si, por ejemplo, el espectro de absorción resulta ser diferente, tendrá que hacer ajustes a los fundamentos fundamentales de la física moderna.
Pero el interés por la antimateria - la antimateria no es de ninguna manera puramente teórico. Un motor de antimateria puede funcionar, por ejemplo, de la siguiente manera. Primero, se crean dos nubes de varios billones de antiprotones, que una trampa electromagnética evita que toquen la materia. Luego se inyecta entre ellos una partícula de combustible de 42 nanogramos. Es una cápsula de uranio-238 que contiene una mezcla de deuterio y helio-3, o deuterio y tritio.
Los antiprotones se aniquilan instantáneamente con núcleos de uranio y hacen que se descompongan en fragmentos. Estos fragmentos, junto con los cuantos gamma resultantes, calientan tanto el interior de la cápsula que comienza una reacción termonuclear. Sus productos, que tienen una energía tremenda, son acelerados aún más por el campo magnético y vuelan a través de la boquilla del motor, proporcionando a la nave espacial un empuje inaudito.
En cuanto al vuelo a Marte en un mes, los físicos estadounidenses recomiendan utilizar otra tecnología: la fisión nuclear catalizada por antiprotones. Entonces, todo el vuelo requerirá 140 nanogramos de antiprotones, sin contar el combustible radiactivo.
Nuevas mediciones realizadas en el Centro de Investigación de Stanford (California), donde está instalado un acelerador de partículas lineal, han permitido a los científicos avanzar en la respuesta a la pregunta de por qué la materia prevalece sobre la antimateria en el universo.
Los resultados del experimento confirman las suposiciones anteriores sobre el desarrollo de un desequilibrio de estas entidades opuestas. Sin embargo, los científicos dicen que los estudios realizados han planteado más preguntas que respuestas: los experimentos con un acelerador no pueden proporcionar una explicación completa de por qué hay tanta materia en el espacio: miles de millones de galaxias llenas de estrellas y planetas.
Los científicos que trabajan con el acelerador midieron un parámetro conocido como el seno de dos beta (0,74 más o menos 0,07). Este indicador refleja el grado de asimetría entre materia y antimateria.
Como resultado del Big Bang, debería haberse formado la misma cantidad de materia y antimateria, que luego se aniquiló y no dejó nada más que energía. Sin embargo, el universo que estamos observando es una prueba indiscutible de la victoria de la materia sobre la antimateria.
Para comprender cómo podría suceder esto, los físicos observaron un efecto llamado violación de igualdad de cargos. Para observar este efecto, los científicos estudiaron los mesones B y los mesones anti-B, partículas con una vida útil muy corta: billonésimas de segundo.
Las diferencias en el comportamiento de estas partículas absolutamente opuestas muestran las diferencias entre materia y antimateria y explican en parte por qué una prevalece sobre la otra. Los millones de mesones B y anti-mesones B requeridos para el experimento se formaron como resultado de colisiones en el acelerador de los haces de electrones y positrones. Los primeros resultados, obtenidos en 2001, muestran claramente una violación de la igualdad de cargas para los mesones B.
“Este fue un descubrimiento importante, pero aún es necesario recopilar muchos datos para validar el seno de dos beta como una constante fundamental en la física cuántica”, dijo Stewart Smith de la Universidad de Princeton. "Los nuevos resultados se anunciaron después de tres años de intensa investigación y análisis de 88 millones de eventos".
Las nuevas medidas son consistentes con el llamado "modelo estándar", que describe partículas elementales y sus interacciones. El grado confirmado de violación de la igualdad de cargas por sí solo no es suficiente para explicar el desequilibrio de materia y antimateria en el universo.
“Aparentemente, además de la desigualdad de cargas, sucedió algo más, que provocó el predominio de la materia convertida en estrellas, planetas y organismos vivos”, comentó Hassan Jawahery, miembro del personal de la Universidad de Maryland. “En el futuro, es posible que podamos entender estos procesos ocultos y responder a la pregunta de qué llevó al universo a su estado actual y este será el descubrimiento más emocionante.
