La fuerza de atracción entre los antiprotones es similar a la de los protones

Gracias a un estudiante de la Universidad Rice (Houston, EE.UU.) y sus cálculos, la humanidad sabe un poco más sobre el universo. Kefeng Xin, estudiante de posgrado, es uno de los autores principales del artículo que ha revelado que la fuerza de atracción entre los antiprotones es similar a la que existe entre los protones; y la han medido.

En concreto, el equipo midió dos parámetros importantes: la longitud de dispersión y el alcance efectivo de la interacción entre dos antiprotones. Esto permitió a los científicos entender la fuerza que mantiene unidos los núcleos de antimateria y compararla con la de la materia.

«Se trata de la sutil diferencia en la forma en que la materia y la antimateria interactúan entre sí», dice el físico Frank Geurts, en la información de Rice.

Los antiprotones llevan carga eléctrica y espín opuestos a los de los protones. Al igual que toda la materia y la antimateria, ambos fueron creados en el Big Bang. Los físicos aún están tratando de entender por qué se ven tan pocas antipartículas en la naturaleza a pesar de que las partículas y antipartículas se produjeron en cantidades iguales y se aniquilan mutuamente cuando se tocan.

«Pudo ser que la antimateria no tuviera la misma fuerza de atracción que la materia, y eso ayudaría a explicar cómo estas diferencias, durante la parte inicial del Big Bang, podrían haber dado lugar a que la antimateria no sobreviviera en forma de estrellas y planetas , como hizo la materia», dice Geurts.

«Ahí es donde esta investigación es útil. Las interacciones entre dos partículas de antimateria resultan ser bastante similares a las de partículas de materia. Puede que no nos den una solución al problema principal, pero hemos eliminado una opción definitivamente», dice.

El hallazgo aparece en la revista Nature, y es obra de más de 500 científicos, entre ellos Geurts, que trabajan en el experimento STAR, en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York), del Departamento de Energía de EE.UU.

Las medidas

La longitud de dispersión es una medida de cómo se desvían las partículas en su viaje desde el origen al destino; sus caminos se ven como rastros tridimensionales capturados por STAR (que es el acrónimo en inglés de Solenoide Rastreador del RHIC). El alcance efectivo indica lo cerca que tienen que estar las partículas entre sí para que sus cargas influyan en las demás, como imanes.

Ambas se miden en femtómetros. Un femtómetro es una millonésima parte de un nanómetro; un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro.

Para los antiprotones medidos en el RHIC, la longitud de dispersión era aproximadamente de 7,41 femtómetros y el alcance efectivo era de 2,14 femtómetros, casi equivalente al de sus homólogos protones. Medir distancias tan pequeñas implica tanto equipos como cálculos sofisticados.

«Este descubrimiento no es una sorpresa», dice Xin, cuya tesis doctoral se centra en unos sistemas exóticos llamados átomos muónicos. «Hemos estado estudiando la interacción entre nucleones (partículas que constituyen el núcleo de un átomo) durante décadas, y siempre hemos pensado que las fuerzas entre partículas de antimateria eran los mismos que para la materia. Pero esta es la primera vez que hemos sido capaces de cuantificarlo».

Xin, que es estudiante de Geurts, aplicó métodos desarrollados en su tesis para el análisis. La primera tarea fue la de determinar qué partículas producidas en una colisión eran de hecho antiprotones y si había dos de ellas lo suficientemente cerca para influirse entre sí. Luego vino la correlación de su cantidad de movimiento (su masa multiplicada por su velocidad) desde su creación hasta su destrucción, por lo general unos pocos nanosegundos. «Los datos los recogimos en 2011 y son de 500 millones de acontecimientos (colisiones entre dos iones de oro pesados)», dice Xin.

Colisionador

La antimateria se puede crear en pequeñas cantidades en un colisionador como RHIC y ser analizada. El colisionador acelera los núcleos de los átomos pesados ​​casi a la velocidad de la luz, imitando las condiciones del Big Bang, y les hace chocar para producir partículas elementales, antipartículas y materiales exóticos como quarks, muones y plasmas. Todo esto puede caracterizarse con las herramientas construidas en Rice y en otros centros que participan en STAR.

RHIC rompió iones de oro para producir cientos de millones de partículas, que pueden ser detectadas por las trazas de ionización que dejan en un cilindro lleno de gas que rodea la colisión y un sensor de «tiempo de vuelo». El instrumento, cuya construcción fue dirigida por Rice, le dice a los investigadores cuántos nanosegundos necesita las partículas para viajar desde el punto de impacto a los sensores de los límites exteriores del colisionador.

«RHIC es ideal para este tipo de experimento, ya que nos permite volcar un montón de energía en un volumen muy pequeño y que salgan de él muchas partículas», dice Geurts. «La multiplicidad es importante. Si no se produce una gran cantidad de partículas, las probabilidades de que interactúen entre sí es poca».

Investigadores de las 52 instituciones que forman parte de la colaboración STAR son co-autores del artículo de Nature. Por parte de Rice, están los estudiantes de posgrado Daniel Brandenburg, Joey Butterworth y Nick Luttrell; el científico investigador Geary Eppley; y Pablo Yepes, miembro senior de la facultad de física y astronomía. Geurts es profesor asociado de física y astronomía.

Referencias bibliográficas:

The STAR Collaboration: Measurement of interaction between antiprotons. Nature (2015). DOI: 1038/nature15724