¿Qué es la antimateria?
Objetos en el universo : galaxias, estrellas, cuásares, planetas, supernovas, animales y humanos
Según los datos disponibles hasta la fecha, nohay antigalaxias, anti-estrellas u otros grandes objetos antimateria. Y esto es muy extraño: según la teoría del Big Bang, en el momento del nacimiento de nuestro Universo, apareció la misma cantidad de materia y antimateria, y no está claro adónde fue esta última. Actualmente, existen dos explicaciones para este fenómeno: o la antimateria desapareció inmediatamente después de la explosión, o existe en algunas partes distantes del universo, y simplemente aún no la hemos descubierto. Esta asimetría es uno de los problemas sin resolver más importantes de la física moderna.
Antimateria - materia formada por antipartículas -"Reflejos de espejo" de una serie de partículas elementales que tienen el mismo giro y masa, pero se diferencian entre sí en los signos de todas las demás características de interacción: carga eléctrica y de color, números cuánticos de bariones y leptones. Algunas partículas, por ejemplo un fotón, no tienen antipartículas o, lo que es lo mismo, son antipartículas en relación a sí mismas.
Hoy en día se cree que las antipartículas reaccionan alas fuerzas fundamentales que determinan la estructura de la materia (interacción fuerte, formando núcleos y electromagnética, formando átomos y moléculas), son exactamente las mismas, por lo tanto la estructura de la antimateria debe ser la misma que la estructura de la materia "normal".
¿Y qué significa el prefijo "anti"?
Usualmente usamos este prefijo paradesignar el fenómeno opuesto. En cuanto a la antimateria, incluye 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 revertir. Por ejemplo, la masa y la vida deben permanecer siempre positivas, centrándose en ellas, las partículas se pueden atribuir a una categoría (por ejemplo, protones o neutrones).
Si comparamos un protón y un antiprotón, entonces algunossus características son las mismas: la masa de ambos es 938.2719 (98) megaelectronvoltio, spin ½. Pero la carga eléctrica del protón es 1, y el antiprotón tiene menos 1, el número bariónico (que determina el número de partículas que interactúan fuertemente que consta de tres quarks) es 1 y menos 1, respectivamente.
Algunas partículas, como el bosón de Higgs y el fotón, no tienen análogos y se denominan neutros verdaderos.
La mayoría de las antipartículas, junto con las partículas, aparecen en un proceso llamado "producción de vapor", que requiere alta energía, o una enorme velocidad, para formar dicho par.En la naturaleza, las antipartículas surgen cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera de la Tierra, dentro de estrellas masivas, cerca de púlsares y núcleos galácticos activos.Para ello, los científicos utilizan colisionadores-aceleradores.
¿Dónde se "extrae" y almacena la antimateria?
La antimateria se extrae en el Gran Colisionador de Hadrones recolectando nubes de antiprotones después de que un haz de protones choca con un objetivo metálico y ralentiza suavemente las partículas voladoras para que puedan usarse en experimentos posteriores.
Autor: Maximilien Brice, CERN — Servidor de documentos del CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Partículas de antimateria cargadas como positronesy los antiprotones se pueden almacenar en las llamadas trampas de Penning. Son como pequeños aceleradores de partículas. En su interior, las partículas se mueven en espiral mientras que los campos magnéticos y eléctricos evitan que choquen con las paredes de la trampa.
Sin embargo, las trampas de Penning no funcionan parapartículas neutras como antihidrógeno. Dado que no tienen carga, estas partículas no pueden confinarse a campos eléctricos. Están atrapados en las trampas de Ioffe, que funcionan creando un área de espacio donde el campo magnético se vuelve más grande en todas las direcciones. Las partículas de antimateria se atascan en el área con el campo magnético más débil.
El campo magnético de la Tierra puede actuar como trampas para la antimateria. Se encontraron antiprotones en ciertas zonas alrededor de la Tierra: los cinturones de radiación de Van Allen.
¿Por qué la antimateria es tan difícil de conseguir?
También quedó claro que estudiar esta misteriosa sustancia era mucho más difícil que registrarla.El problema es que la materia y la antimateria se aniquilan cuando se "tocan"En los laboratorios, es muy posible producir antimateria, aunque es bastante difícil mantenerla.Hasta ahora, los científicos solo han podido hacer esto en cuestión de minutos.
El problema del almacenamiento de antimateria es un verdadero dolor de cabezadolor para los físicos, porque los antiprotones y positrones se aniquilan instantáneamente cuando se encuentran con partículas de materia ordinaria. Para mantenerlos, los científicos tuvieron que idear ingeniosos dispositivos que pudieran evitar una catástrofe. Las antipartículas cargadas se almacenan en la llamada trampa de Penning, que se asemeja a un acelerador en miniatura. Su potente campo magnético y eléctrico evita que los positrones y antiprotones choquen con las paredes del dispositivo. Sin embargo, dicho dispositivo no funciona con objetos neutros como el átomo de antihidrógeno. Para este caso, se desarrolló la trampa Ioffe. La retención de antiatómicos en él se produce debido al campo magnético.
¿De qué es capaz la antimateria?
Solo un puñado de antimateria puede produciruna gran cantidad de energía. Esto lo convierte en un combustible popular para vehículos de ciencia ficción futuristas. En general, el motor de cohete de antimateria es hipotéticamente posible; la principal limitación es la acumulación de suficiente antimateria para usarla.
Por cierto, la energía de 1 miligramo de antimateria es suficiente para un vuelo a Marte.
Actualmente no hay tecnologías disponibles paraproducción en masa o recolección de antimateria en la medida requerida para esta aplicación. Sin embargo, un pequeño número de científicos ha realizado investigaciones sobre simulación de movimiento y almacenamiento. Estos incluyen a Ronan Keen y Wei-Ming Zhang, quienes trabajaron en Western Reserve Academy y Kent State University, respectivamente, así como Mark Weber y sus colegas en Washington State University. Algún día, si podemos encontrar una manera de crear o recolectar grandes cantidades de antimateria, su investigación podría ayudar a hacer realidad los viajes interestelares utilizando antimateria.
¿Por qué todavía no utilizamos esta fuente de energía?
La aniquilación de la antimateria y la materia puedelibera una gran cantidad de energía. Un gramo de antimateria puede provocar una explosión del tamaño de una bomba nuclear. Sin embargo, los humanos han producido cantidades muy pequeñas de antimateria.
La ineficacia de la producción de antimateria es enorme.Teniendo en cuenta el costo de obtener antimateria, puede recuperar solo una décima de mil millones (10-10) de la energía invertida. Si los científicos pudieran recolectar toda la antimateria que hemos producido en el CERN y aniquilarla con materia, entonces solo habría suficiente energía para encender una bombilla durante unos minutos.
Todos los antiprotones creados en un acelerador de partículas.El Tevatron en Fermilab es de solo 15 nanogramos. Los producidos en el CERN son de aproximadamente 1 nanogramo. Hasta la fecha, DESY en Alemania ha producido aproximadamente 2 nanogramos de positrones.
Si toda la antimateria producida por los humanos fuera destruida a la vez, la energía producida no sería suficiente para hervir una taza de té.
El problema es la eficiencia y el costo.producción y almacenamiento de antimateria. La producción de 1 gramo de antimateria requerirá aproximadamente 25 millones de billones de kilovatios-hora de energía y más de un millón de billones de dólares.
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El giro es el momento angular adecuado de las partículas elementales, que tiene una naturaleza cuántica y no está asociado con el movimiento de la partícula en su conjunto.