Los objetos del Universo (galaxias, estrellas, quásares, planetas, supernovas, animales y personas) están compuestos de materia. Está formado por varias partículas elementales: quarks, leptones, bosones. Pero resultó que hay partículas en las que una parte de las características coincide completamente con los parámetros de los "originales", y la otra tiene valores opuestos. Esta propiedad llevó a los científicos a dar al agregado de tales partículas el nombre general de "antimateria".
También quedó claro que estudiar esta misteriosa sustancia es mucho más difícil que registrar. Aún no se han encontrado en la naturaleza antipartículas en un estado estable. El problema es que la materia y la antimateria se aniquilan (se aniquilan mutuamente) al "contacto". Es bastante posible obtener antimateria en los laboratorios, aunque es bastante difícil contenerla. Hasta ahora, los científicos han podido hacer esto solo durante unos minutos.
Según la teoría, el Big Bang debería haber producido el mismo número de partículas y antipartículas. Pero si la materia y la antimateria se aniquilan entre sí, entonces deberían haber dejado de existir al mismo tiempo. ¿Por qué existe el Universo?
“Hace más de 60 años, la teoría decía que todas las propiedades de las antipartículas coinciden con las propiedades de las partículas ordinarias en el espacio reflejado especularmente. Sin embargo, en la primera mitad de los años 60 se descubrió que en algunos procesos no se satisface esta simetría. Desde entonces se han creado muchos modelos teóricos, se han realizado decenas de experimentos para explicar este fenómeno. Ahora, las teorías más desarrolladas son que la diferencia en la cantidad de materia y antimateria está asociada con la llamada violación de la simetría CP (de las palabras carga - "carga" y paridad - "paridad"). Pero nadie conoce todavía una respuesta fiable a la pregunta de por qué hay más materia que antimateria”, explica Alexey Zhemchugov, profesor asociado del Departamento de Problemas Fundamentales y Aplicados de Física del Micromundo del Instituto de Física y Tecnología de Moscú.
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La historia de la antimateria comenzó con la ecuación de movimiento del electrón, que tenía soluciones en las que poseía energía negativa. Como los científicos no podían imaginar el significado físico de la energía negativa, "inventaron" un electrón con carga positiva, llamándolo "positrón".
Se convirtió en la primera antipartícula descubierta experimentalmente. La instalación, que registró los rayos cósmicos, mostró que la trayectoria de movimiento de algunas partículas en un campo magnético es similar a la trayectoria de un electrón, solo que se desviaron en la dirección opuesta. Luego se descubrió el par mesón-antimesón, se registraron el antiprotón y el antineutrón, y luego los científicos pudieron sintetizar el núcleo antihidrógeno y antihelio.
Trayectorias de movimiento de un electrón y un positrón en un campo magnético / Ilustración de RIA Novosti. Alina Polyanina
¿Qué significan todos estos "anti"? Usualmente usamos este prefijo para denotar el fenómeno opuesto. En cuanto a la antimateria, puede incluir análogos de partículas elementales que tienen carga opuesta, momento magnético y algunas otras características. Por supuesto, todas las propiedades de una partícula no se pueden invertir. Por ejemplo, la masa y la vida útil siempre deben permanecer positivas, centrándose en ellas, las partículas se pueden atribuir a una categoría (por ejemplo, protones o neutrones).
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Si comparamos un protón y un antiprotón, entonces algunas de sus características son las mismas: la masa de ambos es 938.2719 (98) megaelectronvoltio, espín ½ (el espín se denomina momento angular propio de una partícula, que caracteriza su rotación, mientras que la partícula misma está en reposo). Pero la carga eléctrica del protón es 1, y el antiprotón tiene menos 1, el número bariónico (determina el número de partículas que interactúan fuertemente que consta de tres quarks) es 1 y menos 1, respectivamente.
Protón y antiprotón / Ilustración de RIA Novosti. Alina Polyanina
Algunas partículas, como el bosón de Higgs y el fotón, no tienen antianálogos y se denominan neutrales verdaderas.
La mayoría de las antipartículas, junto con las partículas, aparecen en un proceso llamado emparejamiento. La formación de tal par requiere mucha energía, es decir, una velocidad tremenda. En la naturaleza, las antipartículas surgen cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera de la Tierra, dentro de estrellas masivas, junto a púlsares y núcleos galácticos activos. Los científicos utilizan colisionadores-aceleradores para esto.
Sección de aceleración del Gran Colisionador de Hadrones, donde las partículas se aceleran / Foto: CERN
El estudio de la antimateria tiene aplicaciones prácticas. El caso es que la aniquilación de materia y antimateria genera fotones de alta energía. Digamos que tomamos un banco de protones y antiprotones y comenzamos a liberarlos gradualmente entre sí a través de un tubo especial, literalmente uno a la vez. La aniquilación de un kilogramo de antimateria libera la misma cantidad de energía que la quema de 30 millones de barriles de petróleo. Ciento cuarenta nanogramos de antiprotones serían suficientes para un vuelo a Marte. El problema es que se necesita aún más energía para generar y retener antimateria.
Sin embargo, la antimateria ya se está utilizando en la práctica, en la medicina. La tomografía por emisión de positrones se utiliza para el diagnóstico en oncología, cardiología y neurología. El método se basa en la entrega de materia en descomposición con la emisión de un positrón a un órgano específico. Por ejemplo, una sustancia que se une bien a las células cancerosas puede actuar como transporte. En el área deseada, se forma una mayor concentración de isótopos radiactivos y, en consecuencia, positrones de su desintegración. Los positrones se aniquilan inmediatamente con electrones. Y podemos arreglar el punto de aniquilación registrando los cuantos gamma. Por lo tanto, con la ayuda de la tomografía por emisión de positrones, es posible detectar un aumento de la concentración de la sustancia de transporte en un lugar determinado.
