Los experimentos en el CERN investigan antipartículas.
Credito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago
Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Abril 11 de 2017
¿Qué piensas que tienen en común el camarón, las pelotas de tenis y los púlsares? Todos están hechos de materia.
Ciertamente, esa respuesta es una salida de escape, pero resalta una gran persistencia para los científicos: ¿por qué está todo hecho de cuándo hay una antimateria sustituta perfectamente buena?
El laboratorio europeo CERN alberga varios experimentos para determinar las propiedades de las partículas de antimateria, que casi nunca sobreviven en nuestro mundo dominado por la materia.
Las partículas (como el protón y el electrón) tienen doppelgangers antimateria con carga opuesta (como el antiprotón y el antielectrón). Debido a que son opuestos pero iguales, una partícula de materia y su compañero antimateria se aniquilan cuando se encuentran.
La antimateria no siempre fue rara. La investigación teórica y experimental sugiere que hay una cantidad igual de materia y antimateria justo después del nacimiento de nuestro universo. Pero 13.8 mil millones años más tarde, solo las estructuras hechas por la materia permanecen en el universo visible.
Los científicos han encontrado pequeñas diferencias entre el comportamiento de la materia y las partículas de antimateria, pero no lo suficiente como para explicar el desequilibrio que la antimateria desaparece mientras la materia persiste. Los experimentos en el CERN están trabajando para resolver ese enigma usando tres estrategias diferentes.
Credito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago
Antimateria bajo el microscopio
Es bien sabido que el CERN alberga el mayor colisionador de hadrones, el acelerador de partículas de mayor energía del mundo. Menos conocido es que CERN también alberga el desacelerador de partículas más poderoso del mundo, una máquina que ralentiza las antipartículas hasta casi detenerlas.
El desacelerador antiprotón es alimentado por el complejo acelerador del CERN. Un haz de protones energéticos se desvía de del CERN Proton Synchrotron y en una pared de metal, generando una multitud de nuevas partículas, incluyendo algunos antiprotones. Los antiprotones se enfocan en un haz de partículas y se ralentizan mediante campos eléctricos dentro del desacelerador antiprotón. Desde aquí se alimentan de varios experimentos antimateria, que atrapan a los antiprotones dentro de poderosos campos magnéticos.
"Todos los experimentos son tesis se pretende tratar de encontrar la materia y la antimateria Entre las diferencias que enviaban predicho por la teoría", dice Will Bertsche, investigador de la Universidad de Manchester, que trabaja en la fábrica de antimateria del CERN. "Todos estamos tratando de abordar la gran pregunta: ¿por qué el universo está hecho en estos días y no es antimateria?"
Al analizar y atrapar la antimateria, los científicos pueden examinar íntimamente sus propiedades sin preocuparse por su comportamiento. Algunas de las trampas pueden ser antiprotones durante más de un año. Los científicos también pueden combinar antiprotones con positrones (antielectrones) para producir antihidrógeno.
"El antihidrógeno es fascinante porque nos permite ver cómo la antimateria interactúa consigo misma", dice Bertsche. "Estamos teniendo una idea de cómo se comportaría un universo de antimateria espejo".
Los científicos de la fábrica de antimateria del CERN han medido la masa, la carga, el espectro de luz y las propiedades magnéticas de los antiprotones y el antihidrógeno con alta precisión. También observan cómo los átomos de antihidrógeno se ven afectados por la gravedad; es decir, ¿los anti-átomos caen hacia arriba o hacia abajo? Un experimento es incluso intentar tratando de hacer un surtido de híbridos de materia-antimateria, como un átomo de helio en uno de los electrones que orbitan REPLACED qui est un antiprotón con.
Hasta ahora, todas las mediciones de antimateria atrapada coinciden con la teoría: a excepción de la carga y el giro opuestos, la antimateria parece completamente idéntica a la materia. Pero estos resultados afirmativos no impiden que Bertsche busque anti-sorpresas. Debe haber disparidades impredecibles entre estas dos partes del mundo.
"Falta algo en este modelo", dice Bertsche. "Y nadie está seguro de qué es eso".
Antimateria en movimiento
El experimento LHCb quiere responder a la misma pregunta, pero están viendo partículas de antimateria que no están atrapadas. En cambio, los científicos de LHCb estudian cómo se comportan las partículas de antimateria de rango libre a medida que viajan y se transforman dentro del detector.
"Estamos registrando cómo nos está yendo con la física de partículas y cómo están funcionando", dice Sheldon Stone, profesor de la Universidad de Syracuse que trabaja en el experimento LHCb. "No podemos hacer estas mediciones si las partículas no se están moviendo".
Los experimentos de partículas en movimiento ya han observado algunas pequeñas diferencias entre partículas de materia y antimateria. En 1964, científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que se ha informado están en un estado de cambio.
El experimento LHCb continúa con este legado, en busca de aún más discrepancias entre metamorfosis de partículas de materia y antimateria. Han observado que las partículas de ciertos bariones antimateria (partículas que contienen tres quarks) tienen una orientación espacial ligeramente diferente a la de su materia contemporánea.
Pero incluso con el éxito de descubrir estas discrepancias, los científicos todavía están muy lejos de
"Stone dice," entonces nos preguntamos, ¿dónde está? ¿Qué es el talón de Aquiles de la antimateria que precipitó su desaparición?
Credito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago
Antimateria en el espacio
La mayoría de los experimentos de antimateria basados en CERN producen antipartículas acelerando y colisionando protones. Pero un experimento está buscando una antimateria libre vagando por el espacio exterior.
El Espectrómetro Magnético Alfa es un experimento internacional respaldado por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la NASA. Este detector de partículas se ensambla en el CERN y ahora está instalado en la Estación Espacial Internacional, donde orbita la Tierra a 400 kilómetros sobre la superficie. Registra el impulso y la trayectoria de aproximadamente mil millones de partículas vagabundas cada mes, incluido un millón de partículas de antimateria.
Los núcleos de antimateria nómada podrían ser reliquias solitarias del Big Bang o el confuso residuo de la fusión nuclear en estrellas antimateria.
AMS apunta a los modelos actuales del cosmos. Una de sus misiones es buscar antimateria que sea tan compleja y robusta, no hay forma de que pueda ser producida a través de colisiones de partículas normales en el espacio.
"La mayoría de los científicos acepta que vamos a desaparecer de nuestro mundo porque es más resistente que la materia", dijo Mike Capell, investigador del MIT y portavoz adjunto del experimento AMS. "Pero nos preguntamos, ¿y si toda la antimateria nunca desapareciera? ¿Qué pasa si todavía está por ahí?"
Si existe una antimateria, los astrónomos esperan que observen la aniquilación masiva de partículas burbujeando y centelleando en su límite con nuestro espacio dominado por la materia, cosa que no ocurre. Todavía no, al menos. Debido a que nuestro universo es tan grande (y aún se está expandiendo), los investigadores de AMS hipotetizan que estas intersecciones son demasiado remotas para nuestros telescopios.
"Estamos teniendo problemas para ver profundamente en nuestro universo", dice Capell. "Debido a que nunca hemos visto un dominio donde la materia se encuentra con la antimateria, no sabemos cómo se vería".
AMS ha estado recopilando datos durante seis años. De aproximadamente 100 mil millones de rayos cósmicos, han identificado algunos eventos extraños con características de antihelio. Debido a que la muestra es muy pequeña, es imposible decir que estos son los primeros mensajeros de una galaxia antimateria o simplemente parte del fondo caótico.
"Es un resultado emocionante", dice Capell. "Sin embargo, seguimos siendo escépticos". Necesitamos saber más sobre la identidad de estas partículas anómalas ".
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Por Sarah Charley, para Symmetry Magazine Abril 11 de 2017
¿Qué piensas que tienen en común el camarón, las pelotas de tenis y los púlsares? Todos están hechos de materia.
Ciertamente, esa respuesta es una salida de escape, pero resalta una gran persistencia para los científicos: ¿por qué está todo hecho de cuándo hay una antimateria sustituta perfectamente buena?
El laboratorio europeo CERN alberga varios experimentos para determinar las propiedades de las partículas de antimateria, que casi nunca sobreviven en nuestro mundo dominado por la materia.
Las partículas (como el protón y el electrón) tienen doppelgangers antimateria con carga opuesta (como el antiprotón y el antielectrón). Debido a que son opuestos pero iguales, una partícula de materia y su compañero antimateria se aniquilan cuando se encuentran.
La antimateria no siempre fue rara. La investigación teórica y experimental sugiere que hay una cantidad igual de materia y antimateria justo después del nacimiento de nuestro universo. Pero 13.8 mil millones años más tarde, solo las estructuras hechas por la materia permanecen en el universo visible.
Los científicos han encontrado pequeñas diferencias entre el comportamiento de la materia y las partículas de antimateria, pero no lo suficiente como para explicar el desequilibrio que la antimateria desaparece mientras la materia persiste. Los experimentos en el CERN están trabajando para resolver ese enigma usando tres estrategias diferentes.
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Antimateria bajo el microscopio
Es bien sabido que el CERN alberga el mayor colisionador de hadrones, el acelerador de partículas de mayor energía del mundo. Menos conocido es que CERN también alberga el desacelerador de partículas más poderoso del mundo, una máquina que ralentiza las antipartículas hasta casi detenerlas.
El desacelerador antiprotón es alimentado por el complejo acelerador del CERN. Un haz de protones energéticos se desvía de del CERN Proton Synchrotron y en una pared de metal, generando una multitud de nuevas partículas, incluyendo algunos antiprotones. Los antiprotones se enfocan en un haz de partículas y se ralentizan mediante campos eléctricos dentro del desacelerador antiprotón. Desde aquí se alimentan de varios experimentos antimateria, que atrapan a los antiprotones dentro de poderosos campos magnéticos.
"Todos los experimentos son tesis se pretende tratar de encontrar la materia y la antimateria Entre las diferencias que enviaban predicho por la teoría", dice Will Bertsche, investigador de la Universidad de Manchester, que trabaja en la fábrica de antimateria del CERN. "Todos estamos tratando de abordar la gran pregunta: ¿por qué el universo está hecho en estos días y no es antimateria?"
Al analizar y atrapar la antimateria, los científicos pueden examinar íntimamente sus propiedades sin preocuparse por su comportamiento. Algunas de las trampas pueden ser antiprotones durante más de un año. Los científicos también pueden combinar antiprotones con positrones (antielectrones) para producir antihidrógeno.
"El antihidrógeno es fascinante porque nos permite ver cómo la antimateria interactúa consigo misma", dice Bertsche. "Estamos teniendo una idea de cómo se comportaría un universo de antimateria espejo".
Los científicos de la fábrica de antimateria del CERN han medido la masa, la carga, el espectro de luz y las propiedades magnéticas de los antiprotones y el antihidrógeno con alta precisión. También observan cómo los átomos de antihidrógeno se ven afectados por la gravedad; es decir, ¿los anti-átomos caen hacia arriba o hacia abajo? Un experimento es incluso intentar tratando de hacer un surtido de híbridos de materia-antimateria, como un átomo de helio en uno de los electrones que orbitan REPLACED qui est un antiprotón con.
Hasta ahora, todas las mediciones de antimateria atrapada coinciden con la teoría: a excepción de la carga y el giro opuestos, la antimateria parece completamente idéntica a la materia. Pero estos resultados afirmativos no impiden que Bertsche busque anti-sorpresas. Debe haber disparidades impredecibles entre estas dos partes del mundo.
"Falta algo en este modelo", dice Bertsche. "Y nadie está seguro de qué es eso".
Antimateria en movimiento
El experimento LHCb quiere responder a la misma pregunta, pero están viendo partículas de antimateria que no están atrapadas. En cambio, los científicos de LHCb estudian cómo se comportan las partículas de antimateria de rango libre a medida que viajan y se transforman dentro del detector.
"Estamos registrando cómo nos está yendo con la física de partículas y cómo están funcionando", dice Sheldon Stone, profesor de la Universidad de Syracuse que trabaja en el experimento LHCb. "No podemos hacer estas mediciones si las partículas no se están moviendo".
Los experimentos de partículas en movimiento ya han observado algunas pequeñas diferencias entre partículas de materia y antimateria. En 1964, científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que se ha informado están en un estado de cambio.
El experimento LHCb continúa con este legado, en busca de aún más discrepancias entre metamorfosis de partículas de materia y antimateria. Han observado que las partículas de ciertos bariones antimateria (partículas que contienen tres quarks) tienen una orientación espacial ligeramente diferente a la de su materia contemporánea.
Pero incluso con el éxito de descubrir estas discrepancias, los científicos todavía están muy lejos de
"Stone dice," entonces nos preguntamos, ¿dónde está? ¿Qué es el talón de Aquiles de la antimateria que precipitó su desaparición?
Credito de la imagen: Artwork by Sandbox Studio, Chicago
Antimateria en el espacio
La mayoría de los experimentos de antimateria basados en CERN producen antipartículas acelerando y colisionando protones. Pero un experimento está buscando una antimateria libre vagando por el espacio exterior.
El Espectrómetro Magnético Alfa es un experimento internacional respaldado por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la NASA. Este detector de partículas se ensambla en el CERN y ahora está instalado en la Estación Espacial Internacional, donde orbita la Tierra a 400 kilómetros sobre la superficie. Registra el impulso y la trayectoria de aproximadamente mil millones de partículas vagabundas cada mes, incluido un millón de partículas de antimateria.
Los núcleos de antimateria nómada podrían ser reliquias solitarias del Big Bang o el confuso residuo de la fusión nuclear en estrellas antimateria.
AMS apunta a los modelos actuales del cosmos. Una de sus misiones es buscar antimateria que sea tan compleja y robusta, no hay forma de que pueda ser producida a través de colisiones de partículas normales en el espacio.
"La mayoría de los científicos acepta que vamos a desaparecer de nuestro mundo porque es más resistente que la materia", dijo Mike Capell, investigador del MIT y portavoz adjunto del experimento AMS. "Pero nos preguntamos, ¿y si toda la antimateria nunca desapareciera? ¿Qué pasa si todavía está por ahí?"
Si existe una antimateria, los astrónomos esperan que observen la aniquilación masiva de partículas burbujeando y centelleando en su límite con nuestro espacio dominado por la materia, cosa que no ocurre. Todavía no, al menos. Debido a que nuestro universo es tan grande (y aún se está expandiendo), los investigadores de AMS hipotetizan que estas intersecciones son demasiado remotas para nuestros telescopios.
"Estamos teniendo problemas para ver profundamente en nuestro universo", dice Capell. "Debido a que nunca hemos visto un dominio donde la materia se encuentra con la antimateria, no sabemos cómo se vería".
AMS ha estado recopilando datos durante seis años. De aproximadamente 100 mil millones de rayos cósmicos, han identificado algunos eventos extraños con características de antihelio. Debido a que la muestra es muy pequeña, es imposible decir que estos son los primeros mensajeros de una galaxia antimateria o simplemente parte del fondo caótico.
"Es un resultado emocionante", dice Capell. "Sin embargo, seguimos siendo escépticos". Necesitamos saber más sobre la identidad de estas partículas anómalas ".
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