Antiprotón

El antiprotón,
p
, (pronunciado p-bar) es la antipartícula del protón. Los antiprotones son estables, pero suelen tener una vida corta, ya que cualquier colisión con un protón hará que ambas partículas se aniquilen en un estallido de energía.

La existencia del antiprotón con carga eléctrica −1e, opuesto a la carga eléctrica + 1e del protón, fue predicho por Paul Dirac en su conferencia del Premio Nobel de 1933. Dirac recibió el Premio Nobel de su publicación de 1928 de su ecuación Dirac que predijo la existencia de soluciones positivas y negativas a la ecuación energética de Einstein (E=mc2{displaystyle E=mc^{2}) y la existencia del positrón, el análogo antimateria del electrón, con carga opuesta y giro.

El antiprotón fue confirmado experimentalmente por primera vez en 1955 en el acelerador de partículas Bevatron 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.

En términos de quarks de valencia, un antiprotón consta de dos antiquarks arriba y uno 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 que son opuestos a los del protón, lo cual es de esperar del equivalente de antimateria de un protón Las preguntas de cómo la materia es diferente de la antimateria, y la relevancia de la antimateria para explicar cómo nuestro universo sobrevivió al Big Bang, siguen siendo problemas abiertos, abiertos, en parte, debido a la relativa escasez de antimateria en el universo actual.

Ocurrencia en la naturaleza

Los antiprotones se han detectado en los rayos cósmicos a partir de 1979, primero mediante experimentos en globos y, más recientemente, mediante detectores basados en satélites. La imagen estándar de su presencia en los rayos cósmicos es que se producen en colisiones de protones de rayos cósmicos con núcleos atómicos en el medio interestelar, a través de la reacción, donde A representa un núcleo:

p
+ A →
p
+
p
+
p
+ A

Los antiprotones secundarios (
p
) luego se propagan a través de la galaxia, confinados por los campos magnéticos galácticos. Su espectro de energía se modifica por colisiones con otros átomos en el medio interestelar, y los antiprotones también se pueden perder por 'fugas'. de la galaxia

El espectro de energía de los rayos cósmicos antiprotones ahora se mide de manera confiable y es consistente con esta imagen estándar de producción de antiprotones por colisiones de rayos cósmicos. Estas mediciones experimentales establecieron límites superiores en la cantidad de antiprotones que podrían producirse de formas exóticas, como la aniquilación de partículas supersimétricas de materia oscura en la galaxia o la radiación de Hawking causada por la evaporación de los agujeros negros primordiales. Esto también proporciona un límite inferior en la vida útil del antiprotón de aproximadamente 1 a 10 millones de años. Dado que el tiempo de almacenamiento galáctico de los antiprotones es de unos 10 millones de años, una vida útil de descomposición intrínseca modificaría el tiempo de residencia galáctica y distorsionaría el espectro de los antiprotones de rayos cósmicos. Esto es significativamente más estricto que las mejores mediciones de laboratorio de la vida útil del antiprotón:

• Colaboración en el CERN: 0,08 años
• Antihidrogen Penning trap of Gabrielse et al.: 0,28 años
• Experimento BASE en CERN: 10,2 años
• Colaboración APEX en Fermilab: 50000años para
  p
  → μ− + cualquier cosa
• Colaboración APEX en Fermilab: 300000años para
  p
  → e) + γ

La simetría CPT predice que la magnitud de las propiedades del antiprotón está exactamente relacionada con las del protón. En particular, la simetría CPT predice que la masa y el tiempo de vida del antiprotón serán los mismos que los del protón, y que la carga eléctrica y el momento magnético del antiprotón serán de signo opuesto e igual en magnitud a los del protón. La simetría CPT es una consecuencia básica de la teoría cuántica de campos y nunca se han detectado violaciones de la misma.

Lista de experimentos recientes de detección de rayos cósmicos

• MEJOR: experimento a base de globos, lanzado en 1993, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004 (Polar-I) y 2007 (Polar-II).
• CAPRICE: experimento en globo, lanzado en 1994 y 1998.
• HEAT: experimento en globo, volado en 2000.
• AMS: experimento basado en el espacio, prototipo lanzado en el transbordador espacial en 1998, destinado a la Estación Espacial Internacional, lanzado en mayo de 2011.
• PAMELA: experimento satélite para detectar rayos cósmicos y antimateria desde el espacio, lanzado en junio de 2006. Informe reciente descubrió 28 antiprotones en la anomalía del Atlántico Sur.

Experimentos y aplicaciones modernas

Acumulador de antiprotones (centro) en Fermilab

Producción

Los antiprotones se producían de forma rutinaria en el Fermilab para las operaciones de física del colisionador en el Tevatron, donde colisionaban con los protones. El uso de antiprotones permite una energía promedio más alta de colisiones entre quarks y antiquarks de lo que sería posible en colisiones protón-protón. Esto se debe a que los quarks de valencia en el protón y los antiquarks de valencia en el antiprotón tienden a transportar la fracción más grande del impulso del protón o del antiprotón.

La formación de antiprotones requiere una energía equivalente a una temperatura de 10 billones de K (10¹³ K), y esto no suele ocurrir de forma natural. Sin embargo, en el CERN, los protones se aceleran en el Proton Synchrotron a una energía de 26 GeV y luego se rompen en una barra de iridio. Los protones rebotan en los núcleos de iridio con suficiente energía para que se cree la materia. Se forma una gama de partículas y antipartículas, y los antiprotones se separan utilizando imanes en el vacío.

Medidas

En julio de 2011, el experimento ASACUSA en el CERN determinó que la masa del antiprotón era 1836.1526736(23) veces la del electrón. Esto es lo mismo que la masa de un protón, dentro del nivel de certeza del experimento.

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.

En enero de 2022, al comparar las proporciones de carga a masa entre el antiprotón y el ion de hidrógeno cargado negativamente, el experimento BASE determinó que la proporción de carga a masa del antiprotón es idéntica a la del protón, hasta 16 partes por billón.

Posibles aplicaciones

Se ha demostrado en experimentos de laboratorio que los antiprotones tienen el potencial de tratar ciertos tipos de cáncer, en un método similar que se usa actualmente para la terapia de iones (protones). La principal diferencia entre la terapia con antiprotones y la terapia con protones es que, después del depósito de energía iónica, el antiprotón se aniquila y deposita energía adicional en la región cancerosa.