Acelerador de antiprotones del CERN

  Allá por el año 2011, los medios publicaron la noticia: “El experimento Alpha del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) ha conseguido atrapar átomos de antimateria durante más de 1.000 segundos, 16 minutos, lo que les permitirá a estudiar sus propiedades en detalle, según explica un artículo publicado en ‘Nature Physics’.”

Para hablar de antimateria lo tenemos que hacer de antipartículas, es decir, partículas subatómicas que tienen la misma masa que otras partículas y valores iguales opuestos de otra propiedad o propiedades. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón, que una carga positiva igual en módulo a la carga negativa del electrón. El antiprotón tiene una carga negativa igual en módulo a la carga positiva del protón. El neutrón y el antineutrón tienen momentos magnéticos con signos opuestos en con sus espines.

Paul Adrien Maurice Dirac, considerado uno de los padres de la mecánica cuántica, a la que dio una formulación elegante y precisa, tal punto que su texto es aún utilizado hoy en día. Él predijo la existencia del Positrón, la antipartícula del Electrón. Le concedieron el Premio Nobel de Física en 1933 (compartido con su colega Erwing Schrödinger.

La existencia de antipartículas es predicha por la mecánica cuántica relativista. una partícula y su correspondiente antipartícula colisionan ocurre la aniquilación. La antimateria consiste en materia hecha de antipartículas.

Por ejemplo, el antihidrógeno consiste en un antiprotón con un antielectrón (positrón) orbitando. El antihidrógeno ha sido creado artificialmente en el laboratorio. El espectro del antihidrógeno no debería ser idéntico al del hidrógeno. Parece que el Universo está formado mayoritariamente por materia (ordinaria) y la explicación de la ausencia de grandes cantidades de antimateria debe ser incorporada en modelos cosmológicos que requieren el uso de teorías de gran unificación de partículas elementales.

                    En el CERN atraparon átomos de antihidrógeno durante 1000 segundos, allá por el 2010

“Fabricar antimateria es muy difícil pero almacenarla durante mucho tiempo lo es mucho más. Los átomos de antihidrógeno son muy frágiles y su vida media supera con dificultad unos pocos segundos. Investigadores del experimento ALPHA en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas donde reside el LHC, han publicado en Nature Physics el almacenamiento durante 1000 segundos (16 minutos y 40 segundos) de un átomo de antihidrógeno (antiátomo formado por un antiprotón y un positrón). Esta vida media ya es suficiente para permitir el estudio con gran precisión de los niveles atómicos del antihidrógeno mediante técnicas de espectroscopia láser. Además, la combinación de la nueva trampa superconductora de ALPHA con el experimento ATRAP, también en el CERN, se espera que permita en los próximos meses almacenar unos 100 antiátomos para su estudio detallado.”

 

 

38 átomos de antimateria atrapados en el Laboratorio, En el experimento Alpha desarrollado en el CERN se combinan positrones y antiprotnes para producir antimateria.

Los físicos del CERN han obligado a los átomos de antihidrógeno a quedarse, lo que potencialmente nos ofrecen una mejor visión de cómo se comporta la antimateria. Primeramente, los investigadores informaron de la captura de anti-hidrógeno, el de antimateria más simple. Pero su acptura en ese momento se limitaba a de dos décimas de segundo. Ese intervalo se ha ampliado en más de 5.000 veces. En un estudio publicado el 5 de junio de 2011 en Nature Physics por este grupo de investigadores (ALFA) se informa de este mismo logro por un tiempo de 16 minutos y 40 segundos.

Las partículas subatómicas de materia, protones, neutrones y electrones tienen particulas homólogas de antimateria. la materia y la antimateria se juntan se aniquilan en una explosión de energía. como el átomo de hidrógeno se compone de un protón unido a un electrón, un átomo de antihidrógeno contiene un antiprotón y un positrón.

La Materia, aunque estamos en vías de adquirir profundos conocimientos de sus secretos, a pesar de eso, nos es aún (en ciertos aspectos) una gran desconocida, ya que, se habla de materia extraña, materia oscura o materia fértil y, luego, habrá clases de materia que ni podemos suponer, como por ejemplo, ¿qué de materia será, la que se crea al morir una estrella masiva se forma un agujero negro que, por medio de la Gravedad, comprime  la materia común hasta límites tan extremos y desconocidos que desaparece de mundo nuestro y sólo deja sentir la enorme fuerza de gravedad que genera, de tal manera que en ese lugar, dejan de existir el tiempo y el espacio ?

Es tanta la ignorancia que atesoramos sobre la materia que, tapar huecos que para nosotros no tienen explicación, hablamos de cosas extrañas como la “materia oscura” que, finalmente, podría estar representada por una sustancia cósmica, o, la sustancia primigenia del Cosmos, que los clásicos griegos llamaron Ylem (la sustancia cósmica), algo que no sabemos lo que es ni de qué estar compuesta, no emite radiación y resulta invisible, y, al parecer, según nos dicen, lo único que deja “ver”  o “sentir” es la Gravedad que genera y que incide en el devenir del Universo.

En realidad, aún no tenemos claro ni cómo pudieron formarse las galaxias a pesar de la expansión de Hubble. ¿Qué retenía la materia? ¿Que clase de proceso hacía posible la presencia de Gravedad para retenerla y que las galaxias se4 pudieran formar? ¿Sería la sustancia cósmica que hoy llaman “materia oscura”?

Claro que, el comportamiento de la materia es así por el simple hecho de que está conformada por minúsculas partículas (unas más elementales que otras) que, se rigen por el principio de la Mecánica cuántica, y, allí, amigos míos, nada de lo que ocurre está asociado a lo que nos dicta el sentido común. El micro de las partículas subatómicas es extraño y, en él se pueden dar fenómenos que no podemos llegar a comprender, o, que nos cuesta comprender. No obstante, algunos de esos fenómenos sí que han sido descubiertos por los físicos y, de esa manera, han ayudado a que conozcamos mejor el mundo en el que vivímos.

Veamos por:

                                           Conensado de Bose-Einstein

Debido al principio de exclusión de Pauli, es imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones). La condensación Bose-Einstein es de importancia fundamental explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10^-7 K) se formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. ha habréis podido suponer, la condensación Bose-Einstein es llamada así en honor al físico Satyendra Nath Bose (1.894 – 1.974) y a Albert Einstein. Así que, el principio de exclusión de Pauli no sólo a los electrones, sino a los fermiones; no a los bosones.

La radiación sincrotrón es la que produce una partícula cargada; por ejemplo, un electrón, gira en un magnético. En función de la energía del electrón, los fotones emitidos pueden tener energías de radio, de rayos X o mayores.

La observación de fenómeno ha sido posible gracias al satélite Fermi, especializado en rayos gamma, que con un gran telescopio conocido como LAT (Large Area Telescope, por sus siglas en inglés). su puesta en órbita, en junio de 2008, el LAT ha monitoreado la nebulosa del Cangrejo.

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender cómo   un magnético la partícula cargada que gira, pero ya no resulta tan fácil saber por qué ha de lo mismo un neutrón descargado. Lo cierto es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalente a cero, aunque por alguna razón desconocida, logran crear un campo magnético cuando gira la partícula.

Particularmente creo que, si el neutrón tiene masa, si la masa es energía (E = mc²), y si la energía es electricidad y magnetismo (según Maxwell), el magnetismo del neutrón no es tan extraño, sino que es un aspecto de lo que en realidad es: ¡materia! La materia es la luz, la energía, el magnetismo, en  definitiva, la fuerza que reina en el universo y que está presente de una u otra forma en todas (aunque a veces no podamos verla).

                           Sea fuere, la rotación del neutrón nos da la a esas preguntas

¿Qué es el antineutrón? Pues, simplemente, un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido; su polo sur magnético, por decirlo , está arriba y no abajo. En realidad, el protón y el antiprotón, el electrón y el positrón, muestran exactamente el mismo fenómeno de los polos invertidos. Es indudable que las antipartículas pueden combinarse para formar la antimateria, de la misma que las partículas corrientes forman la materia ordinaria.

La primera demostración efectiva de antimateria se tuvo en Brookhaven en 1.965, donde fue bombardeado un de berilio con 7 protones BeV y se produjeron combinaciones de antiprotones y antineutrones, o sea, un antideuterón. entonces se ha producido el antihelio 3, y no cabe duda de que se podría crear otros antinúcleos más complicados aún si se abordara el problema con más .”

¿Qué no será capaz de inventar el hombre descubrir los misterios de la naturaleza? Podemos recordar (aunque ha pasado mucho tiempo) lo que hizo Rutherford para identificar la primera partícula nuclear (la partícula Alfa). El camino ha sido largo y muy duro, con muchos intentos fallidos antes de ir consiguiendo los triunfos (los únicos que suenan), y muchos han sido los nombres que contribuyen para conseguir llegar al conocimiento del átomo y del núcleo ; los electrones circulando alrededor del núcleo, en sus diferentes niveles, con un núcleo compuesto de protones y neutrones que, a su vez, son constituidos por los quarks allí confinados por los fluones, las partículas mediadoras de la fuerza nuclear fuerte.  , ¿qué habrá más allá de los quarks?, ¿las supercuerdas vibrantes? Algún día se sabrá.

¡Hablamos de tántas cosas! fluctuaciones de partículas de Higgs dadoras de masa que dicen haber encontrado en el LHC

Pero, ¿existe en realidad la antimateria? ¿Hay masas de antimateria en el universo? Si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serían idénticos a los de la materia corriente. Sin embargo, se encontrasen las masas de las distintas materias, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas del aniquilamiento mutuo resultante del encuentro. Así pues, los astrónomos observan especulativamente las galaxias, para tratar de alguna actividad inusual que delate interacciones materia-antimateria.

El 22 marzo de 2011 se produjo la creación de 18 núcleos de antihelio-4, lo que fue un hito en la física de alta energía. Una de las grandes cuestiones que crean problemas a los cosmólogos y físicos de partículas es la distribución de materia y antimateria en el universo. Ciertamente parece que la materia predomina en el cosmos, pero las apariencias pueden engañar. Puede que simplemente vivamos en un rincón del universo que parece estar dominado por la materia. Con logros este, algunos hablan ya de galaxias de antimateria. Lo cierto es que, hoy, encontramos que hay un poco de antimateria extra en nuestro rincón gracias al de la colaboración STAR en el RHIC del Laboratorio Nacional Brookhaven en los Estados Unidos.

En fin amigos, que como siempre estamos diciendo, nos queda mucho por saber sobre el comportamiento de la materia y, hasta donde ésta puede llegar con la evolución a la que está abocada por el transcurso del tiempo, las energías y el ritmo del Universo que, como sabemos, es un ritmo en el que el Tiempo, tiene un papel estelar.

Si tuviéramos delante de nuestros ojos átomos de materia-antimateria aumentados millones de veces, no sabríamos distinguir cuál es uno y otro, nos parecerían exactamente iguales y, sólo al juntarse y destruirse mutuamente, podríamos estar seguros de que eran dos clases de materia distintas en sus cargas e iguales, en todo lo demás.

La Materia, en cada momento, está conformada en el nivel que las muchas transiciones de fase ha producido en ella mediante los mecanismos que la Naturaleza tiene ello, y, desde luego, una porción de ella puede estar hoy formando el lecho de un rumoroso río, podría estar formando de un fértil árbol que proporciona una sabrosa fruta, o, ¿por qué no? Podría estar formando parte de un exótico agujero negro. Cualquier cosa que podamos pensar sobre la materia, en realidad es posible. Sólo se necesita tiempo para que el cambio, finalmente, se pueda producir.

El ADN del esperma tiene una firma’ (característica única) que sólo puede ser reconocida por un óvulo de la misma especie. Esto permite la fecundación e incluso puede explicar cómo una especie desarrolla su propia identidad genética. Cuando contemplamos que cosas así son posibles, llegamos a ser conscientes de que la materia, puede adoptar formas y evolucionar hasta niveles de inconcebibles transiciones de fase que, la lleve en un viaje martavilloso desde lo inerte hasta lo que podemos considerar vivo.

                      En el futuro serán muchas las cosas que habrán cambiado y lo que hoy es mañana no será

¿Qué seremos nosotros dentro de 10 millones de ? ¿Estaremos aquí? ¿En qué forma? ¿Qué cambios se habrán producido en nosotros? Y, si hemos conseguido vencer ese período de tiempo, lo que de verdad espero es que la Humanidad o lo que pueda ser en lo que se convierta la , si tiene consciencia de SER, que al menos, con los cambios y mutaciones, no pierda ese bien tan preciado que llamamos  SENTIMIENTOS aunque, para entonces, estén hechos o generados por antimateria. ¡Es todo tan complejo!

emilio silvera

Un apunte sobre la “materia oscura” »

El proceso mediante el cual la fuerza nuclear fuerte se congela es un ejemplo de un cambio de fase, similar en muchos aspectos a la congelación del agua. Cuando el agua se convierte en hielo, se expande; una botella de leche explotará si se deja en el exterior una noche fría del crudo invierno. No debería ser demasiado sorprendente que el universo se expanda del mismo modo al cambiar de fase.

Lo que sí sorprende es la enorme magnitud de la expansión. El tamaño del universo aumentó en un factor no menor de 10⁵⁰. Este número es tan inmenso que virtualmente no tiene significado para la mayoría de la gente. Y es lógico que así sea, ya que, si su altura aumentase de repetente en un factor tan grande como ése, se extendería de un extremo del universo al otro y les faltaría sitio. Incluso un solo protón de un solo átomo de su cuerpo, si sus dimensiones aumentaran en 10⁵⁰, sería mayor que el universo.

En 10^-35 segundos, el universo pasó de algo con un radio de curvatura mucho menor que la partícula elemental más pequeña a algo con el tamaño de una buena naranja. No es extraño que el nombre inflación esté ligado a este proceso en un cambio de fase tan descomunalmente inusual.

Todas estas ideas han dado lugar a que los científicos se planteen el problema de la clase de universo en el que vivimos, y, se ha llegado a la conclusión de que será el que determine la cantidad de materia que contenga, es decir, conforme lo determine Ω, signo que significa toda la masa que contiene el universo y que será la que determine su geometría final y también, qué clase de final le espera en función de ese parámetro que llamamos Densidad Crítica del Universo y que según las medidas más afinadas está en 10^-29 g/cm³.

Claro que cuando uno lee estas cosas y le dicen que el universo sufrío una expansión de tal magnitud, no se puede sustraer a la pregunta: ¿No violaría un crecimiento tan rápido las reglas de Einstein contra viajar más rápido que la luz? Si un cuerpo material viajó de un extremo de una naranja al otro en 10^-35 segundos, su velocidad excedió la de la luz en una cantidad muy considerable.

Claro que la respuesta a tal objeción la podemos encontrar, de manera simple y sencilla, en un globo que tiene dibujadas algunas galaxias. A medida que le añadimos aire y el globo se hincha (se expande), podemos apreciar cómo las galaxias se van separando las unas de las otras. Sin embargo, no son las galaxias las que viajan velozmente a medida que el aire entra en el globo, sino que es, el espacio mismo dentro del globlo el que se infla haciendo que las galaxias se muevan y dando la sensación de que son éstas las que corren, cuando, en realidad, es el espacio el que se está expandiendo. Ningún cuerpo material, ninguna de las galaxias se mueve a altas velocidades en el espacio. Las reglas contra el viaje a velocidad mayor que la luz sólo se aplica al movimiento dentro del espacio, no al movimiento del espacio mismo. Así que, nunca se ha violado la regla impuesta por la relatividad especial y la velocidad de la luz es una constante del universo inviolable.

La consecuencia de la rápida expansión se puede describir mejor con referencia a la visión einsteniana de la gravitación. Antes de que el universo tiuviera 10^-35 segundos de edad, es de suponer que habia algún tipo de distribución de la materia (su forma precisa no importa). A causa de esta materia, el espacio-tiempo tendrá alguna forma caracteríostica. Podríamos suponer que estaba algo arrugado o banboleado, es decir, no era uniforme y en presencia de materia se curvaba en función de la masa allí presente. Pero llegó la inflación y comenzó una especie de estiramiento del espacio-tiempo que dejó al universo como lo podemos ver hoy, es decir, según la materia que parece que contiene, es casi perfectamente plano por lo general.

 

Se ha tratado de medir la Densidad Crítica del Universo par apoder saber en qué calse de universo estamos y, parece que es plano

 

Universo cerrado

 

 

Si Ω>1, entonces la geometría del espacio sería cerrada como la superficie de una esfera. La suma de los ángulos de un triángulo exceden 180 grados y no habría líneas paralelas. Al final, todas las líneas se encontrarían. La geometría del universo es, al menos en una escala muy grande, elíptico.

En un universo cerrado carente del efecto repulsivo de la energía oscura, la gravedad acabará por detener la expansión del universo, después de lo que empezará a contraerse hasta que toda la materia en el universo se colapse en un punto. Entonces existirá una singularidad final llamada el Big Crunch, por analogía con el Big Bang. Sin embargo, si el universo tiene una gran suma de energía oscura (como sugieren los hallazgos recientes), entonces la expansión será grande.

 

 

 

 

Universo Plano

Si la densidad media del universo es exactamente igual a la densidad crítica tal que Ω=1, entonces la geometría del universo es plana: como en la geometría ecuclidiana,  la suma de los ángulos de un triángulo es 180 grados y las líneas paralelas nunca se encuentran.

 

 

 

Si Ω<1, la geometría del espacio es abierta, p.ej., negativamente curvada como la superficie de una silla de montar. Los ángulos de un triángulo suman menos de 180 grados (llamada primera fase) y las líneas paralelas no se encuentran nunca equidistantes, tienen un punto de menor distancia y otro de mayor. La geometría del universo sería hiperbólica.

 

 

 

Incluso sin energía oscura, un universo negativamente curvado se expandirá para siempre, con la gravedad apenas ralentizando la tasa de expansión. Con energía oscura, la expansión no sólo continúa sino que se acelera. El destino final de un universo abierto es, o la muerte térmica” o “Big Freeze” o “Big Rip”,  dónde la aceleración causada por la energía oscura terminará siendo tan fuerte que aplastará completamente los efectos de las fuerzas gravitacionales, electromagnéticas y los enlaces débiles.

 

 

 

Sin energía oscura, un universo plano se expande para siempre pero a una tasa continuamente desacelerada: la tasa de expansión se aproxima asintóticamentre a cero. Con energía oscura, la tasa de expansión del universo es inicialmente baja, debido al efecto de la gravedad, pero finalmente se incrementa. El destino final del universo es el mismo que en un universo abierto, la muerte caliente del universo, el “Big Freeze” o el “Big Rip”. En 2005, se propuso la teoría del destino del universo Fermión-Bosón,  proponiendo que gran parte del universo estaría finalmente ocupada por condensado de Bose-Einstein  y la quasipartícula análoga al fermión,  tal vez resultando una implosión. Muchos datos astrofísicos hasta la fecha son consistentes con un universo plano.

 

 

 

     Simulación del Big Rip

En un Universo abierto, la relatividad general predice que el Universo tendrá una existencia indefinida, pero con un estado donde la vida que se conoce no puede existir. Bajo este escenario, la energía oscura causa que las tasa de expansión del universo se acelere.  Llevándolo al extremo, una aceleración de la expansión eterna significa que toda la materia del Universo, empezando por las galaxias y eventualmente todas las formas de vida, no importa cuán pequeñas sean, se disgregarán en partículas elementales  desligadas. El estado final del Universo es una singularidad, ya que la tasa de expansión es infinita.

El Big Crunch. El eje vertical se puede considerar como tiempo positivo o negativo

La teoría del Big Crunch es un punto de vista simétrico del destino final del Universo. Justo con el Big Bang empezó una expansión cosmológica, esta teoría postula que la densidad media del Universo es suficiente para parar su expansión y empezar la contracción. De ser así, se vería cómo las estrellas tienden a ultravioleta, por efecto Doppler.  El resultado final es desconocido; una simple extrapolación sería que toda la materia y el espacio-tiempo en el Universo se colapsaría en una singularidad espaciotemporal adimensional, pero a estas escalas se desconocen los efectos cuánticos necesarios para ser considerados -se aconseja mirar en Gravedad-Cuántica-..

Este escenario permite que el Big Bang esté precedido inmediatamente por el Big Crunch de un Universo precedente. Si esto ocurre repetidamente, se tiene un universo oscilante. El Universo podría consistir en una secuencia infinita de Universos finitos, cada Universo finito terminando con un Big Crunch que es también el Big Bang del siguiente Universo. Teóricamente, el Universo oscilante no podría reconciliarse con la segunda ley de la termodinámica:

 

 

la entropía aumentaría de oscilación en oscilación y causaría la muerte caliente. Otras medidas sugieren que el Universo no es cerrado. Estos argumentos indujeron a los cosmólogos a abandonar el modelo del Universo oscilante. Una idea similar es adoptada por el modelo cíclico, pero esta idea evade la muerte caliente porque de una expansión de branas se diluye la entropía acumulada en el ciclo anterior.

Como podéis comprobar por todo lo anteriormente leído, siempre estamos tratando de saber en qué universo estamos y pretendemos explicar lo que pudo pasar desde aquel primer momento que no hemos podido comprender de manera exacta y científicamente autosuficiente para que sea una ley inamovible del nacimiento del universo. Simplemente hemos creado modelos que se acercan de la mejor manera a lo que pudo ser y a lo que podría ser. Sin embargo, lo que pasó en las primeras fracciones del priumer segundo, cuando nació el Tiempo…. ¡No lo sabemos!

 

 

Cuando pasen algunos miles de millones de años más, no sabemos que será del Universo ni que rumbo habrán tomado las cosas, toda vez que, el Universo es dinámico y cambiante. Si todo sigue como ahora lo podemos contemplar, lo que parece es que vamos, sin remisión, hacia una muerte térmica del Universo en el que el espacio continuará expandiéndose y las galaxias se alejanran las unas de las otras hasta que, la entropía deje sin energía a todo el universo que, como sistema cerrado, se verá abocado a quedar estático, en el frío más profundo de los -273 ºC. Allí, entonces, nada se moverá, ni los átomos tendrán la posiblidad de que sus componentes se muevan.

Claro que, nada de todo lo anterior… ¡lo podemos asegurar!

Por eso hablamos de masa perdida, materia oscura…. Y otras intuiciones imaginarias de la mente, que aplica los conocimientos que va adquiriendo a loo que podría ser, y, así queda hasta que… ¡Se pueda corroborar con certeza la autenticidad de lo imaginado!

emilio silvera

ENTREVISTA

Ciencia y reflexión