Antimateria
En la física moderna, la antimateria se define como materia compuesta por las antipartículas (o "compañeros") de las partículas correspondientes en "ordinario" Materia. La antimateria se produce en procesos naturales como las colisiones de rayos cósmicos y algunos tipos de desintegración radiactiva, pero solo una pequeña fracción de estos se han unido con éxito en experimentos para formar antiátomos. Se pueden generar cantidades minúsculas de antipartículas en los aceleradores de partículas; sin embargo, la producción artificial total ha sido solo de unos pocos nanogramos. Nunca se ha ensamblado una cantidad macroscópica de antimateria debido al costo extremo y la dificultad de producción y manejo.
Teóricamente, una partícula y su antipartícula (por ejemplo, un protón y un antiprotón) tienen la misma masa, pero carga eléctrica opuesta y otras diferencias en los números cuánticos.
Una colisión entre cualquier partícula y su compañero de antipartícula conduce a su aniquilación mutua, dando lugar a varias proporciones de fotones intensos (rayos gamma), neutrinos y, a veces, pares de partículas y antipartículas menos masivos. La mayor parte de la energía total de aniquilación emerge en forma de radiación ionizante. Si hay materia circundante, el contenido de energía de esta radiación se absorberá y se convertirá en otras formas de energía, como calor o luz. La cantidad de energía liberada suele ser proporcional a la masa total de la materia y la antimateria en colisión, de acuerdo con la notable ecuación de equivalencia masa-energía, E =mc2.
Las antipartículas se unen entre sí para formar antimateria, al igual que las partículas ordinarias se unen para formar materia normal. Por ejemplo, un positrón (la antipartícula del electrón) y un antiprotón (la antipartícula del protón) pueden formar un átomo de antihidrógeno. Los núcleos de antihelio se han producido artificialmente, aunque con dificultad, y son los antinúcleos más complejos observados hasta ahora. Los principios físicos indican que son posibles los núcleos atómicos complejos de antimateria, así como los antiátomos correspondientes a los elementos químicos conocidos.
Existe una fuerte evidencia de que el universo observable está compuesto casi en su totalidad por materia ordinaria, a diferencia de una mezcla igual de materia y antimateria. Esta asimetría de materia y antimateria en el universo visible es uno de los grandes problemas no resueltos de la física. El proceso por el cual se desarrolló esta desigualdad entre partículas de materia y antimateria se llama bariogénesis.
Definiciones
Las partículas de antimateria tienen la misma carga que las partículas de materia, pero de signo opuesto. Es decir, un antiprotón tiene carga negativa y un antielectrón (positrón) tiene carga positiva. Los neutrones no tienen carga neta, pero los quarks que los componen sí. Los protones y los neutrones tienen un número bariónico de +1, mientras que los antiprotones y los antineutrones tienen un número bariónico de -1. De manera similar, los electrones tienen un número de leptones de +1, mientras que el de los positrones es -1. Cuando una partícula y su correspondiente antipartícula chocan, ambas se convierten en energía.
El término francés contra-terrene llevó a la sigla "C.T." y el término de ciencia ficción "seetee", como se usa en novelas como Seetee Ship.
Historia conceptual
La idea de materia negativa aparece en teorías pasadas de la materia que ahora han sido abandonadas. Usando la alguna vez popular teoría de la gravedad del vórtice, William Hicks discutió la posibilidad de materia con gravedad negativa en la década de 1880. Entre las décadas de 1880 y 1890, Karl Pearson propuso la existencia de "squirts" y sumideros del flujo de éter. Los chorros representaban materia normal y los sumideros representaban materia negativa. La teoría de Pearson requería una cuarta dimensión para que el éter fluyera desde y hacia adentro.
El término antimateria fue utilizado por primera vez por Arthur Schuster en dos cartas bastante caprichosas a Nature en 1898, en las que acuñó el término. Formuló la hipótesis de antiátomos, así como sistemas solares completos de antimateria, y discutió la posibilidad de que la materia y la antimateria se aniquilen entre sí. Las ideas de Schuster no eran una propuesta teórica seria, mera especulación, y al igual que las ideas anteriores, se diferenciaban del concepto moderno de antimateria en que poseía gravedad negativa.
La teoría moderna de la antimateria comenzó en 1928, con un artículo de Paul Dirac. Dirac se dio cuenta de que su versión relativista de la ecuación de onda de Schrödinger para electrones predecía la posibilidad de antielectrones. Estos fueron descubiertos por Carl D. Anderson en 1932 y los llamaron positrones de "electrón positivo". Aunque Dirac no usó el término antimateria, su uso se deriva de manera bastante natural de antielectrones, antiprotones, etc. Charles Janet imaginó una tabla periódica completa de antimateria en 1929.
La interpretación de Feynman-Stueckelberg establece que la antimateria y las antipartículas son partículas regulares que viajan hacia atrás en el tiempo.
Notación
Una forma de indicar una antipartícula es agregar una barra sobre el símbolo de la partícula. Por ejemplo, el protón y el antiprotón se indican como
p
y
p
, respectivamente. La misma regla se aplica si uno fuera a dirigirse a una partícula por sus componentes constituyentes. Un protón se compone de uud quarks, por lo que un antiprotón debe formarse a partir de uud antiquarks. Otra convención es distinguir partículas por carga eléctrica positiva y negativa. Por lo tanto, el electrón y el positrón se indican simplemente como
e−
y
e+
respectivamente. Sin embargo, para evitar confusiones, las dos convenciones nunca se mezclan.
Propiedades
Las propiedades antigravitatorias teóricas de la antimateria se están probando actualmente en los experimentos AEGIS y ALPHA-g en el CERN. La antimateria que entra en contacto con la materia aniquilará a ambas y dejará energía pura. Se necesita investigación para estudiar los posibles efectos gravitatorios entre la materia y la antimateria, y entre la antimateria y la antimateria. Sin embargo, la investigación es difícil considerando que cuando los dos se encuentran se aniquilan, junto con las dificultades actuales de capturar y contener antimateria.
Hay razones teóricas convincentes para creer que, aparte del hecho de que las antipartículas tienen signos diferentes en todas las cargas (como las cargas eléctricas y bariónicas), la materia y la antimateria tienen exactamente las mismas propiedades. Esto significa que una partícula y su antipartícula correspondiente deben tener masas idénticas y tiempos de vida de desintegración (si son inestables). También implica que, por ejemplo, una estrella compuesta de antimateria (una 'antiestrella') brillará como una estrella ordinaria. Esta idea fue probada experimentalmente en 2016 por el experimento ALPHA, que midió la transición entre los dos estados de energía más bajos del antihidrógeno. Los resultados, que son idénticos a los del hidrógeno, confirmaron la validez de la mecánica cuántica para la antimateria.
Origen y asimetría
La mayor parte de la materia observable desde la Tierra parece estar compuesta de materia en lugar de antimateria. Si existieran regiones del espacio dominadas por antimateria, los rayos gamma producidos en las reacciones de aniquilación a lo largo del límite entre las regiones de materia y antimateria serían detectables.
Las antipartículas se crean en todas partes del universo donde tienen lugar colisiones de partículas de alta energía. Los rayos cósmicos de alta energía que golpean la atmósfera de la Tierra (o cualquier otra materia del Sistema Solar) producen cantidades diminutas de antipartículas en los chorros de partículas resultantes, que son inmediatamente aniquilados por el contacto con la materia cercana. De manera similar, pueden producirse en regiones como el centro de la Vía Láctea y otras galaxias, donde ocurren eventos celestes muy energéticos (principalmente la interacción de chorros relativistas con el medio interestelar). La presencia de la antimateria resultante es detectable por los dos rayos gamma producidos cada vez que los positrones se aniquilan con la materia cercana. La frecuencia y la longitud de onda de los rayos gamma indican que cada uno transporta 511 keV de energía (es decir, la masa en reposo de un electrón multiplicada por c2).
Las observaciones del satélite INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea pueden explicar el origen de una nube gigante de antimateria que rodea el centro galáctico. Las observaciones muestran que la nube es asimétrica y coincide con el patrón de los binarios de rayos X (sistemas estelares binarios que contienen agujeros negros o estrellas de neutrones), principalmente en un lado del centro galáctico. Si bien el mecanismo no se comprende completamente, es probable que implique la producción de pares electrón-positrón, ya que la materia ordinaria gana energía cinética mientras cae en un remanente estelar.
La antimateria puede existir en cantidades relativamente grandes en galaxias lejanas debido a la inflación cósmica en el tiempo primordial del universo. Se espera que las galaxias de antimateria, si existen, tengan la misma química y los mismos espectros de absorción y emisión que las galaxias de materia normal, y sus objetos astronómicos serían idénticos desde el punto de vista de la observación, lo que dificultaría su distinción. La NASA está tratando de determinar si tales galaxias existen buscando firmas de rayos X y rayos gamma de eventos de aniquilación en supercúmulos en colisión.
En octubre de 2017, los científicos que trabajaban en el experimento BASE del CERN informaron de una medición del momento magnético antiprotón con una precisión de 1,5 partes por billón. Es consistente con la medición más precisa del momento magnético del protón (también realizada por BASE en 2014), lo que respalda la hipótesis de la simetría CPT. Esta medida representa la primera vez que una propiedad de la antimateria se conoce con mayor precisión que la propiedad equivalente en la materia.
La interferometría cuántica de antimateria se demostró por primera vez en 2018 en el Laboratorio de positrones (L-NESS) de Rafael Ferragut en Como (Italia), por un grupo dirigido por Marco Giammarchi.
Producción natural
Los positrones se producen de forma natural en las desintegraciones β+ de isótopos radiactivos naturales (por ejemplo, potasio-40) y en las interacciones de los cuantos gamma (emitidos por núcleos radiactivos) con la materia. Los antineutrinos son otro tipo de antipartícula creada por la radiactividad natural (desintegración β−). Muchos tipos diferentes de antipartículas también son producidos por (y contenidos en) los rayos cósmicos. En enero de 2011, una investigación de la Sociedad Astronómica Estadounidense descubrió antimateria (positrones) que se originaban sobre las nubes de tormenta; Los positrones se producen en destellos de rayos gamma terrestres creados por electrones acelerados por fuertes campos eléctricos en las nubes. El módulo PAMELA también ha encontrado que existen antiprotones en los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra.
Las antipartículas también se producen en cualquier entorno con una temperatura suficientemente alta (energía media de partículas mayor que el umbral de producción de pares). Se plantea la hipótesis de que durante el período de la bariogénesis, cuando el universo era extremadamente caliente y denso, la materia y la antimateria se producían y aniquilaban continuamente. La presencia de materia remanente y la ausencia de antimateria remanente detectable se denomina asimetría bariónica. El mecanismo exacto que produjo esta asimetría durante la bariogénesis sigue siendo un problema sin resolver. Una de las condiciones necesarias para esta asimetría es la violación de la simetría CP, que se ha observado experimentalmente en la interacción débil.
Observaciones recientes indican que los agujeros negros y las estrellas de neutrones producen grandes cantidades de plasma de positrones y electrones a través de los chorros.
Observación en rayos cósmicos
Los experimentos con satélites han encontrado evidencia de positrones y algunos antiprotones en los rayos cósmicos primarios, que representan menos del 1 % de las partículas en los rayos cósmicos primarios. Esta antimateria no puede haber sido creada en su totalidad en el Big Bang, sino que se atribuye a haber sido producida por procesos cíclicos a altas energías. Por ejemplo, los pares de electrones y positrones pueden formarse en los púlsares, ya que un ciclo de rotación de una estrella de neutrones magnetizada corta los pares de electrones y positrones de la superficie de la estrella. Allí, la antimateria forma un viento que choca contra la eyección de las supernovas progenitoras. Esta meteorización tiene lugar cuando "el viento relativista frío y magnetizado lanzado por la estrella golpea la eyección que se expande de forma no relativista, se forma un sistema de ondas de choque en el impacto: la exterior se propaga en la eyección, mientras que un choque inverso se propaga hacia atrás". hacia la estrella." La primera eyección de materia en la onda de choque exterior y la última producción de antimateria en la onda de choque inversa son pasos en un ciclo del clima espacial.
Los resultados preliminares del espectrómetro magnético alfa (AMS-02) actualmente en funcionamiento a bordo de la Estación Espacial Internacional muestran que los positrones en los rayos cósmicos llegan sin direccionalidad y con energías que van desde 10 GeV a 250 GeV. En septiembre de 2014, se presentaron nuevos resultados con casi el doble de datos en una charla en el CERN y se publicaron en Physical Review Letters. Se informó una nueva medición de la fracción de positrones de hasta 500 GeV, que muestra que la fracción de positrones alcanza un máximo de alrededor del 16 % del total de eventos de electrón+positrón, alrededor de una energía de 275 ± 32 GeV. A energías más altas, hasta 500 GeV, la relación entre positrones y electrones vuelve a caer. El flujo absoluto de positrones también comienza a caer antes de los 500 GeV, pero alcanza su punto máximo a energías mucho más altas que las energías de los electrones, que alcanzan su punto máximo alrededor de los 10 GeV. Se ha sugerido que estos resultados de interpretación se deben a la producción de positrones en eventos de aniquilación de partículas masivas de materia oscura.
Los antiprotones de rayos cósmicos también tienen una energía mucho más alta que sus contrapartes de materia normal (protones). Llegan a la Tierra con una energía máxima característica de 2 GeV, lo que indica su producción en un proceso fundamentalmente diferente al de los protones de rayos cósmicos, que en promedio tienen solo una sexta parte de la energía.
Hay una búsqueda continua de núcleos de antimateria más grandes, como los núcleos de antihelio (es decir, partículas anti-alfa), en los rayos cósmicos. La detección de antihelio natural podría implicar la existencia de grandes estructuras de antimateria como una antiestrella. Un prototipo del AMS-02 designado AMS-01 fue volado al espacio a bordo del Space Shuttle Discovery en STS- 91 en junio de 1998. Al no detectar ningún tipo de antihelio, el AMS-01 estableció un límite superior de 1,1×10−6 para la relación de flujo de antihelio a helio. AMS-02 reveló en diciembre de 2016 que había descubierto algunas señales consistentes con núcleos de antihelio en medio de varios miles de millones de núcleos de helio. El resultado aún no se ha verificado, y el equipo actualmente está tratando de descartar la contaminación.
Producción artificial
Positrones
En noviembre de 2008, se informó que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore generó positrones en mayor cantidad que cualquier otro proceso sintético anterior. Un láser condujo electrones a través de los núcleos de un objetivo de oro, lo que provocó que los electrones entrantes emitieran cuantos de energía que se descompusieron en materia y antimateria. Los positrones se detectaron a una tasa más alta y con mayor densidad que nunca antes se había detectado en un laboratorio. Experimentos anteriores generaron cantidades más pequeñas de positrones utilizando láseres y objetivos delgados como el papel; Las simulaciones más recientes mostraron que las ráfagas cortas de láseres ultraintensos y el oro de un milímetro de espesor son una fuente mucho más efectiva.
Antiprotones, antineutrones y antinúcleos
La existencia del antiprotón fue confirmada experimentalmente en 1955 por los físicos de la Universidad de California, Berkeley, Emilio Segrè y Owen Chamberlain, por lo que recibieron el Premio Nobel de Física en 1959. Un antiprotón consta de dos antiquarks arriba y un antiquark abajo (uud). Todas las propiedades del antiprotón que se han medido coinciden con las propiedades correspondientes del protón, con la excepción de que el antiprotón tiene una carga eléctrica y un momento magnético opuestos a los del protón. Poco después, en 1956, Bruce Cork y sus colegas descubrieron el antineutrón en colisiones protón-protón en el Bevatron (Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley).
Además de los antibariones, se han creado antinúcleos que consisten en múltiples antiprotones y antineutrones unidos. Por lo general, estos se producen a energías demasiado altas para formar átomos de antimateria (con positrones unidos en lugar de electrones). En 1965, un grupo de investigadores dirigido por Antonino Zichichi informó sobre la producción de núcleos de antideuterio en el Sincrotrón de Protones del CERN. Aproximadamente al mismo tiempo, un grupo de físicos estadounidenses informaron observaciones de núcleos de antideuterio en el Sincrotrón de Gradiente Alternativo en el Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Átomos de antihidrógeno
En 1995, el CERN anunció que había logrado crear nueve átomos calientes de antihidrógeno mediante la implementación del concepto SLAC/Fermilab durante el experimento PS210. El experimento se realizó utilizando el Anillo Antiprotón de Baja Energía (LEAR), y fue liderado por Walter Oelert y Mario Macri. Fermilab pronto confirmó los hallazgos del CERN al producir aproximadamente 100 átomos de antihidrógeno en sus instalaciones. Los átomos de antihidrógeno creados durante el PS210 y los experimentos posteriores (tanto en el CERN como en el Fermilab) eran extremadamente energéticos y no eran adecuados para el estudio. Para resolver este obstáculo y obtener una mejor comprensión del antihidrógeno, se formaron dos colaboraciones a fines de la década de 1990, a saber, ATHENA y ATRAP.
En 1999, el CERN activó el Antiproton Decelerator, un dispositivo capaz de desacelerar antiprotones desde 3,5 GeV a 5,3 MeV – todavía demasiado "caliente" para producir antihidrógeno eficaz para el estudio, pero un gran salto adelante. A finales de 2002, el proyecto ATHENA anunció que había creado el primer 'frío' del mundo. antihidrógeno El proyecto ATRAP arrojó resultados similares muy poco tiempo después. Los antiprotones utilizados en estos experimentos se enfriaron decelerándolos con el Antiproton Decelerator, pasándolos a través de una fina lámina de aluminio y finalmente capturándolos en una trampa Penning-Malmberg. El proceso de enfriamiento general es factible, pero muy ineficiente; aproximadamente 25 millones de antiprotones salen del decelerador de antiprotones y aproximadamente 25 000 llegan a la trampa de Penning-Malmberg, que es aproximadamente 1 /1000 o 0,1 % de la cantidad original.
Los antiprotones todavía estaban calientes cuando quedaron atrapados inicialmente. Para enfriarlos aún más, se mezclan en un plasma de electrones. Los electrones en este plasma se enfrían a través de la radiación del ciclotrón y luego enfrían por simpatía los antiprotones a través de las colisiones de Coulomb. Finalmente, los electrones se eliminan mediante la aplicación de campos eléctricos de corta duración, lo que deja a los antiprotones con energías inferiores a 100 meV . Mientras los antiprotones se enfrían en la primera trampa, se captura una pequeña nube de positrones del sodio radiactivo en un acumulador de positrones estilo Surko. Esta nube luego es recapturada en una segunda trampa cerca de los antiprotones. Luego, las manipulaciones de los electrodos trampa arrojan los antiprotones al plasma de positrones, donde algunos se combinan con los antiprotones para formar antihidrógeno. Este antihidrógeno neutro no se ve afectado por los campos eléctricos y magnéticos utilizados para atrapar los positrones y antiprotones cargados, y en unos pocos microsegundos el antihidrógeno golpea las paredes de la trampa, donde se aniquila. De esta manera se han formado algunos cientos de millones de átomos de antihidrógeno.
En 2005, ATHENA se disolvió y algunos de los miembros anteriores (junto con otros) formaron la Colaboración ALPHA, que también tiene su sede en el CERN. El objetivo final de este esfuerzo es probar la simetría de CPT mediante la comparación de los espectros atómicos de hidrógeno y antihidrógeno (consulte la serie espectral de hidrógeno).
La mayoría de las pruebas de alta precisión buscadas de las propiedades del antihidrógeno solo podrían realizarse si el antihidrógeno estuviera atrapado, es decir, mantenido en su lugar durante un tiempo relativamente largo. Mientras que los átomos de antihidrógeno son eléctricamente neutros, los espines de sus partículas componentes producen un momento magnético. Estos momentos magnéticos pueden interactuar con un campo magnético no homogéneo; algunos de los átomos de antihidrógeno pueden ser atraídos hasta un mínimo magnético. Tal mínimo puede crearse mediante una combinación de campos espejo y multipolar. El antihidrógeno puede quedar atrapado en una trampa de mínimo magnético (mínimo-B); en noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que habían atrapado 38 átomos de antihidrógeno durante aproximadamente una sexta parte de segundo. Esta fue la primera vez que la antimateria neutral quedó atrapada.
El 26 de abril de 2011, ALPHA anunció que habían atrapado 309 átomos de antihidrógeno, algunos durante 1000 segundos (alrededor de 17 minutos). Esto fue más de lo que la antimateria neutral había estado atrapada antes. ALPHA ha utilizado estos átomos atrapados para iniciar la investigación de las propiedades espectrales del antihidrógeno.
En 2016, se construyó un nuevo enfriador y desacelerador de antiprotones llamado ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator). Toma los antiprotones del desacelerador de antiprotones y los enfría a 90 keV, que es 'frío'. suficiente para estudiar. Esta máquina funciona usando alta energía y acelerando las partículas dentro de la cámara. Se pueden capturar más de cien antiprotones por segundo, una gran mejora, pero todavía se necesitarían varios miles de años para hacer un nanogramo de antimateria.
El mayor factor limitante en la producción a gran escala de antimateria es la disponibilidad de antiprotones. Datos recientes publicados por el CERN indican que, cuando están en pleno funcionamiento, sus instalaciones son capaces de producir diez millones de antiprotones por minuto. Suponiendo una conversión del 100 % de antiprotones en antihidrógeno, llevaría 100 000 millones de años producir 1 gramo o 1 mol de antihidrógeno (aproximadamente 6.02×1023 átomos de antihidrógeno). Sin embargo, el CERN solo produce el 1% de la antimateria que produce Fermilab, y ninguno está diseñado para producir antimateria. Según Gerald Jackson, utilizando la tecnología que ya se utiliza en la actualidad, somos capaces de producir y capturar 20 gramos de partículas de antimateria por año a un costo anual de 670 millones de dólares por instalación.
Antihelio
Núcleos de antihelio-3 (3
Él
) se observaron por primera vez en la década de 1970 en experimentos de colisión de protones y núcleos en el Instituto de Física de Alta Energía por el grupo de Y. Prockoshkin (Protvino cerca de Moscú, URSS) y más tarde creado en experimentos de colisión núcleo-núcleo. Las colisiones núcleo-núcleo producen antinúcleos a través de la coalescencia de antiprotones y antineutrones creados en estas reacciones. En 2011, el detector STAR informó la observación de núcleos de antihelio-4 creados artificialmente (partículas anti-alfa) (4
Él
) de dichas colisiones.
El espectrómetro magnético alfa de la Estación Espacial Internacional registró, a partir de 2021, ocho eventos que parecen indicar la detección de antihelio-3.
Preservación
La antimateria no se puede almacenar en un recipiente hecho de materia ordinaria porque la antimateria reacciona con cualquier materia que toca, aniquilándose a sí misma y a una cantidad igual del recipiente. La antimateria en forma de partículas cargadas puede ser contenida por una combinación de campos eléctricos y magnéticos, en un dispositivo llamado trampa de Penning. Sin embargo, este dispositivo no puede contener antimateria que consiste en partículas sin carga, para lo cual se utilizan trampas atómicas. En particular, tal trampa puede usar el momento dipolar (eléctrico o magnético) de las partículas atrapadas. En alto vacío, las partículas de materia o antimateria se pueden atrapar y enfriar con radiación láser ligeramente fuera de resonancia utilizando una trampa magneto-óptica o una trampa magnética. Las partículas pequeñas también se pueden suspender con pinzas ópticas, usando un rayo láser altamente enfocado.
En 2011, los científicos del CERN pudieron conservar el antihidrógeno durante aproximadamente 17 minutos. El récord de almacenamiento de antipartículas lo tiene actualmente el experimento TRAP del CERN: los antiprotones se mantuvieron en una trampa de Penning durante 405 días. En 2018, se hizo una propuesta para desarrollar una tecnología de contención lo suficientemente avanzada como para contener mil millones de antiprotones en un dispositivo portátil que se llevaría a otro laboratorio para continuar con la experimentación.
Coste
Los científicos afirman que la antimateria es el material más costoso de fabricar. En 2006, Gerald Smith estimó que 250 millones de dólares podrían producir 10 miligramos de positrones (equivalentes a 25 000 millones de dólares por gramo); en 1999, la NASA dio una cifra de 62,5 billones de dólares por gramo de antihidrógeno. Esto se debe a que la producción es difícil (solo se producen muy pocos antiprotones en las reacciones en los aceleradores de partículas) y porque existe una mayor demanda de otros usos de los aceleradores de partículas. Según el CERN, ha costado unos cientos de millones de francos suizos producir alrededor de una mil millonésima parte de un gramo (la cantidad utilizada hasta ahora para las colisiones de partículas y antipartículas). En comparación, para producir la primera arma atómica, el costo del Proyecto Manhattan se estimó en $ 23 mil millones con inflación durante 2007.
Varios estudios financiados por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA están explorando si sería posible usar palas magnéticas para recolectar la antimateria que se encuentra naturalmente en el cinturón de Van Allen de la Tierra y, en última instancia, en los cinturones de los gigantes gaseosos, como Júpiter, con suerte a un menor costo por gramo.
Usos
Médica
(feminine)Las reacciones materia-antimateria tienen aplicaciones prácticas en imágenes médicas, como la tomografía por emisión de positrones (PET). En la desintegración beta positiva, un nucleido pierde la carga positiva excedente al emitir un positrón (en el mismo caso, un protón se convierte en un neutrón y también se emite un neutrino). Los nucleidos con carga positiva excedente se fabrican fácilmente en un ciclotrón y se generan ampliamente para uso médico. También se ha demostrado en experimentos de laboratorio que los antiprotones tienen el potencial para tratar ciertos tipos de cáncer, en un método similar que se usa actualmente para la terapia de iones (protones).
Combustible
La antimateria aislada y almacenada podría usarse como combustible para viajes interplanetarios o interestelares como parte de una propulsión de pulso nuclear catalizada por antimateria u otro cohete de antimateria. Dado que la densidad de energía de la antimateria es mayor que la de los combustibles convencionales, una nave espacial alimentada con antimateria tendría una mayor relación empuje-peso que una nave espacial convencional.
Si las colisiones de materia y antimateria solo dieran como resultado la emisión de fotones, toda la masa restante de las partículas se convertiría en energía cinética. La energía por unidad de masa (9×1016 J/kg) es aproximadamente 10 órdenes de magnitud mayor que las energías químicas y aproximadamente 3 órdenes de magnitud mayor que la energía potencial nuclear que puede liberarse, hoy, usando fisión nuclear (alrededor de 200 MeV por reacción de fisión o 8×1013 J/kg), y alrededor de 2 órdenes de magnitud mayor que los mejores resultados posibles esperados de la fusión (alrededor de 6.3×1014 J/kg para la cadena protón-protón). La reacción de 1 kg de antimateria con 1 kg de materia produciría 1,8×1017 J (180 petajoules) de energía (por la relación masa-energía fórmula de equivalencia, E=mc2), o el equivalente aproximado de 43 megatones de TNT: un poco menos que el rendimiento de la Tsar Bomba de 27 000 kg, el arma termonuclear más grande jamás detonada.
No toda esa energía puede ser utilizada por ninguna tecnología de propulsión realista debido a la naturaleza de los productos de aniquilación. Si bien las reacciones electrón-positrón dan como resultado fotones de rayos gamma, estos son difíciles de dirigir y utilizar para el impulso. En las reacciones entre protones y antiprotones, su energía se convierte en gran parte en piones neutros y cargados relativistas. Los piones neutros se descomponen casi inmediatamente (con una vida útil de 85 attosegundos) en fotones de alta energía, pero los piones cargados se descomponen más lentamente (con una vida útil de 26 nanosegundos) y pueden desviarse magnéticamente para producir empuje.
Los piones cargados finalmente se descomponen en una combinación de neutrinos (que transportan aproximadamente el 22 % de la energía de los piones cargados) y muones cargados inestables (que transportan aproximadamente el 78 % de la energía del pión cargado), y luego los muones se descomponen en una combinación de electrones, positrones y neutrinos (cf. decaimiento de muones; los neutrinos de este decaimiento transportan alrededor de 2/3 de la energía de los muones, lo que significa que de los piones cargados originales, la fracción total de su energía se convierte en neutrinos por una ruta u otra sería aproximadamente 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74).
Armas
La antimateria ha sido considerada como un mecanismo desencadenante de armas nucleares. Un obstáculo importante es la dificultad de producir antimateria en cantidades suficientemente grandes, y no hay evidencia de que alguna vez sea factible. No obstante, la Fuerza Aérea de los EE. UU. financió estudios de la física de la antimateria en la Guerra Fría y comenzó a considerar su posible uso en armas, no solo como disparador, sino como el propio explosivo.
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Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial