Este tema fue noticia hace algunos días en el mundo de la ciencia, pero no todo lo que se dice es cierto; este articulo fue publicado en el buen Blog Cuentos Cuánticos este ultimo 23 de enero y cuyo contenido es por más interesante respecto a esa novedosa noticia, veamos:
Ni la primera vez, ni la última. La noticia del antihidrógeno en el CERN
Estos días el protagonista de las noticias científicas está siendo el antihidrógeno.
Se está leyendo por ahí que se ha producido por primera vez este átomo hecho por partículas de antimateria. El antihidrógeno estaría compuesto por un antiprotón (antipartícula del protón ordinario) y un positrón (antipartícula del electrón usual). Pero esto no es del todo correcto, lo que se ha conseguido por primera vez es tener un haz de estos antihidrógenos y que recorran una determinada distancia. Esto hará posible un estudio pormenorizado del espectro del antihidrógeno y su comparación con el espectro del hidrógeno cotidiano.
Aquí lo que vamos a hacer es explicar la importancia de esto y aclarar algunos detalles que son importantes para conocer el alcance de la noticia.
No tan nuevo
La antimateria es una predicción teórica realizada por Dirac, en los años 20 del pasado siglo, cuando combinó de forma consistente la mecánica cuántica y la relatividad especial. Uno de los resultados de este trabajo teórico fue que por cada partícula existente deberíamos de encontrar otra partícula que tuviera su misma masa y su mismo espín y todas las cargas aditiva (como la carga eléctrica) cambiadas de signo. La partículas de antimateria se identificaron experimentalmente poco después.
Los antiátomos, especialmente el antihidrógeno, han sido producidos en los experimentos desde 1995. Y desde 2010 se puede jugar con ellos de forma más o menos eficiente.
El problema a la hora de trabajar con antimateria es que cuando una partícula y su antipartícula se encuentran tienen una altísima probabilidad de desintegrarse en fotones. Así que el mayor desafío no es el de crear antimateria, cosa que se hace a diario en muchos laboratorios del mundo, sino el de confinarla para que no entre en contacto con la materia ordinaria para evitar su desintegración conjunta.
Si un átomo de hidrógeno y uno de antihidrógeno se encuentran se desintegrarán con casi total seguridad.
Se han creado diversas formas de aislar la antimateria para tenerla un tiempo lo suficientemente largo como para estudiar sus propiedades. Se confina mediantes campos magnéticos, mediantes rayos láser, etc.
Materia y antimateria, ¿iguales o diferentes?
En el contexto teórico actual tenemos un teorema matemático conocido como CPT que nos asegura que las propiedades de la materia y la antimateria han de ser idénticas en lo referente a su masa y a su espín. Lo único que las diferencia son las cargas de las partículas, por ejemplo, la carga eléctrica, el momento magnético, etc.
Esencialmente, este teorema de la teoría cuántica de campos que establece la igualdad entre materia y antimateria (en el sentido comentado anteriormente) se basa en que la naturaleza ha de satisfacer los requerimientos de la relatividad especial. Es decir, si la relatividad especial es correcta a todas las escalas entonces si cambiamos todas la partículas del universo por sus antipartículas todo seguiría igual.
Ahora bien, como todo teorema físico puede que no sea cierto en todas las escalas de energía. Puede ocurrir que las hipótesis del teorema dejen de ser válidas en alguna situación. Esto implicaría que la materia y la antimateria no se comportarían exactamente igual en todas las circunstancias. Y esto podría explicar por qué en el universo primitivo se creó más materia que antimateria.
¿Para qué nos serviría este nuevo hecho experimental?
Lo que han hecho en el trabajo mencionado arriba es crear antiátomos de antihidrógeno y lanzarlos en un dispositivo de 2.7 metros para estudiar su espectro.
Cuando estudiamos el hidrógeno, esencialmente lo describimos como:
Tenemos una pelota gorda cargada positivamente, el protón.
Tenemos una pelota pequeña (unas 1800 veces más ligera que la anterior) cargada negativamente, el electrón. Ambas cargas son iguales en valor pero opuestas en signo.
El sistema se liga por la interacción eléctrica.
Estudiamos las posibles energías del sistema con la mecánica cuántica.
De hecho, el estudio de las energías de los átomos, especialmente las del hidrógeno, es uno de los grandes éxitos de la mecánica cuántica. Lo que resulta es que el electrón ligado al protón no puede tener cualquier energía sino unos valores fijados. A estos valores los llamamos niveles de energía.
Los números n indican el nivel de energía. El n=1 se denomina estado o nivel fundamental.
Los números n indican el nivel de energía. El n=1 se denomina estado o nivel fundamental.
Cualquier otra energía está prohibida para el electrón ligado al protón. Entonces, como regalo, sabemos que podemos pasar un electrón del primer nivel de energía a otro superior si le proporcionamos un fotón de la energía necesaria para producir el salto, ni más, ni menos. La energía tiene que ser exactamente la del salto, si no es así el salto no se produce. Entonces decimos que el electrón ha pasado de un nivel a un nivel inferior. Si es del nivel fundamental, el de menor energía, a cualquier otro superior, decimos que el electrón se ha excitado en el átomo.
Además, los electrones excitados tienen la tendencia a saltar a niveles más bajos de energía. Y como consecuencia devuelven, emiten, un fotón justo con la energía del sato.
Este fenómeno hace que podamos identificar un átomo por los saltos de electrones entre sus niveles. La estructura de niveles dependerá de cuantos protones tenga el núcleo atómico y cuantos electrones tenga en su alrededores. Lo cual hace que podamos medir los fotones que emiten átomos excitados y cada fotón tendrá una energía, es decir, un color. A esto lo llamamos espectro atómico y es una firma personal de un átomo dado.
Para el hidrógeno tenemos un espectro de este tipo:
Que corresponden a estas transiciones entre niveles:
Estas son solo unas de las líneas posibles (para esas transiciones). El espectro completo es más completito.
Además de estas líneas, sucede que los protones y electrones generan campos magnéticos (este es el resultado de que estas partículas tengan espín) y según la orientación relativa entre los campos magnéticos generados por protón y electrón el nivel fundamental de energía se divide en dos subniveles. Esto es lo que se conoce como estructura hiperfina.
Los espines del protón y del electrón pueden orientarse de forma relativa en dos configuraciones:
Y esto hace que el nivel fundamental de energía se divida en dos:
Si nos creemos que la antimateria y la materia son idénticas en propiedades físicoquímicas tenemos que aceptar que los espectros del hidrógeno y antihidrógeno serán iguales.
Esto es justo lo que quieren estudiar los físicos,el espectro del antihidrógeno.
Experimento
Los experimentadores han hecho lo siguiente:
1. Han creado un método para generar antihidrógeno de baja energía. Este es un punto importante. Lo que quieren estudiar es la estructura hiperfina, por lo tanto, tienen que conseguir antihidrógenos en su estado fundamental. Pero crear este tipo de antiátomos de baja energía no es tarea fácil.
2. Inyectan antiprotones y positrones en trampas de confinamiento hechas con campos magnéticos y electroestáticos para que se formen los antiátomos.
3. Luego lanzan estos antiátomos a un detector.
Son capaces de crear unos 25 antihidrógenos por hora. Han conseguido haces de 80 antihidrógenos, no está nada mal. Y además, una fracción importante de los mismos tenía estados de energía por debajo del nivel 29.
La verdad es que este resultado es magnífico. Abre la puerta al estudio pormenorizado de los antihidrógenos y poder hacer espectroscopía de verdad con este tipo de bichos. Seguro que este tipo de experimentos se mejoran y nos dan agradables sorpresas. Vamos a aprender un montón sobre la antimateria en los próximos tiempos. Estaremos atentos.
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