¿Qué es la antimateria?
La antimateria es una forma hipotética de materia. En la física de partículas, la antimateria es una extensión del concepto de antipartículas. La combinación de materia y antimateria hará que ambas se aniquilen y liberen fotones de alta energía o rayos gamma, al igual que la combinación de partículas y antipartículas. La existencia de positrones fue confirmada experimentalmente en 1932 por el físico estadounidense Carl Anderson. Posteriormente se descubrieron protones y antineutrones negativos con direcciones de espín opuestas. El 17 de noviembre de 2010, investigadores europeos "capturaron" con éxito trazas de antimateria por primera vez en la historia de la ciencia. A principios de mayo de 2011, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y científicos estadounidenses colaboraron para descubrir la partícula de antimateria más pesada hasta la fecha: el antihelio 4. El 5 de junio de 2011, investigadores del CERN anunciaron que habían capturado con éxito átomos de antihidrógeno durante más de 16 minutos.
Introducción básica
Viaje de exploración de la antimateria
Los diversos objetos macroscópicos de la naturaleza recuperan sus orígenes microscópicos. Todos están compuestos de protones, neutrones y electrones. de. Por lo tanto, estas partículas se llaman partículas elementales, lo que significa que son los ladrillos básicos con los que se construye todo en el mundo. De hecho, el mundo de las partículas elementales no es tan simple. A principios de la década de 1930, alguien descubrió los electrones cargados positivamente, lo que supuso el primer paso hacia la comprensión de la antimateria. En la década de 1950, con el descubrimiento de los antiprotones y antineutrones, la gente empezó a darse cuenta claramente de que cualquier partícula elemental tiene en la naturaleza una antipartícula correspondiente. La antimateria es el antiestado de la materia normal. Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilarán entre sí, provocando una explosión y generando una enorme energía. La tasa de liberación de energía es mucho mayor que la de la explosión de una bomba de hidrógeno. El concepto de antimateria fue propuesto por primera vez por el físico británico Paul Dirac. Predijo en la década de 1930 que cada partícula debería tener una antipartícula opuesta, como un antielectrón, que tiene exactamente la misma masa que un electrón pero lleva la carga opuesta (A). Y el número cuántico de espín del electrón es -1/2 en lugar de 1/2 positivo. Los científicos creen que en el comienzo del universo se produjeron cantidades iguales de materia y antimateria. Posteriormente, por alguna razón, la mayor parte de la antimateria se convirtió en materia. Además, parte de la antimateria es difícil de observar, por lo que, desde nuestra perspectiva, el mundo actual está compuesto principalmente de materia. Algunos científicos han propuesto que hay antigalaxias hechas de antimateria en el universo y que hay grupos de pequeños agujeros negros alrededor de las antigalaxias. Cuando se desintegra, se emiten antiprotones de baja energía y núcleos de antihelio. Por lo tanto, la observación de antiprotones y núcleos de antihelio en los rayos cósmicos puede proporcionar evidencia de la existencia de objetos de antimateria. El Observatorio Astronómico de Rayos Gamma de la Agencia Espacial Europea ha confirmado la existencia de antimateria en el universo. Realizaron un cuidadoso análisis observacional de una región en el centro del universo. Se descubrió que en esta zona se acumulaba una gran cantidad de antimateria. Además, el Observatorio de Astronomía de Rayos Gamma también demostró que estas antimateria provienen de muchas fuentes y no están concentradas alrededor de un punto determinado, sino que están ampliamente distribuidas en el universo. Edite los conceptos principales de este párrafo
Los positrones y los protones negativos son antipartículas. En comparación con los electrones y protones comúnmente conocidos, tienen la misma masa pero propiedades eléctricas opuestas. Los científicos imaginan que puede haber materia en el universo que esté enteramente compuesta de antipartículas, es decir, antimateria. Los electrones y antielectrones tienen la misma masa pero cargas opuestas. Lo mismo ocurre con los protones y los antiprotones. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre las propiedades de los neutrones y los antineutrones? De hecho, los experimentos con partículas han confirmado que las partículas y las antipartículas no sólo tienen cargas opuestas, sino también todas las demás propiedades opuestas. Aquí discutimos el concepto de números bariónicos. Los protones y los neutrones se denominan colectivamente nucleones. A partir del estudio de los fenómenos nucleares se ha descubierto que los protones se pueden convertir en neutrones, y los neutrones también se pueden convertir en protones, pero antes y después de la conversión, el número total de nucleones en el sistema permanece sin cambios. Es decir, cuando los neutrones se transforman en protones, los protones también se transforman en neutrones. Los experimentos con partículas desde la década de 1950 han demostrado que hay muchos tipos de partículas más pesadas que los nucleones, que también son del mismo tipo que los nucleones. Estas partículas pasaron a denominarse bariones y los nucleones son sólo sus representantes más ligeros. se transforman mediante la interacción y el número de bariones en el sistema no cambia.
Según la hipótesis de los físicos, al principio del universo se produjeron cantidades iguales de materia y antimateria. Una vez que ambas entran en contacto, se aniquilarán y anularán entre sí, explotarán y generarán una enorme energía. Sin embargo, por alguna razón, el mundo actual está hecho principalmente de materia y la antimateria no parece existir en la naturaleza en absoluto. El problema de la asimetría entre materia y antimateria es un gran desafío al que se enfrenta la comunidad física. Editar este párrafo Características principales
Nave espacial de positrones imaginada por la NASA (en desarrollo)
En opinión de la mayoría de los teóricos, la separación a gran escala de materia y antimateria en el universo es imposible. Por lo tanto, no hay objetos de antimateria en un rango de 30 millones de años luz, lo que significa que no existen grandes trozos de antimateria en el universo. Pero los teóricos también creen que debería haber cantidades iguales de materia y antimateria en el universo primitivo. De esta manera, lo que hay que hacer es encontrar un mecanismo físico que explique cómo el universo puede pasar de un estado de cantidades iguales de materia y antimateria a un estado predominantemente de materia. Aquí los teóricos también encontraron dificultades muy agudas. Según la teoría del Big Bang, la temperatura del medio en el universo primitivo era muy alta. Las colisiones térmicas entre partículas producen cualquier partícula elemental en pares. Cuando la aniquilación por pares y la creación por pares de partículas alcanzan el equilibrio estadístico, el medio cósmico es un gas mixto compuesto de todas las partículas básicas, y cualquier partícula estable o inestable tiene una densidad numérica cercana a la misma. En cuanto a si el número de bariones y antibariones es estrictamente igual, esto no está determinado por leyes físicas, sino por las condiciones iniciales. Según los teóricos, es natural que haya cantidades iguales de partículas positivas y negativas en el universo original. Pero es fácil ver que, si esta idea es correcta, la conservación de los bariones conduce inmediatamente a inferencias que son claramente inconsistentes con los hechos. Cuando la expansión del universo hace caer la temperatura del gas por debajo de 10^13 K, ya no es posible que la colisión térmica produzca bariones en pares porque la energía cinética térmica de las partículas ya no es suficiente. Entonces, el proceso de aniquilación hará que la cantidad de bariones positivos y negativos disminuya rápidamente al mismo tiempo. Con el tiempo, no habrá bariones ni antibariones en el universo. Obviamente, este no es un escenario en el universo real. De hecho, hoy en día hay más fotones que cualquier otro en el universo. El número de bariones es aproximadamente una cienmilésima parte, y el número de antibariones es probablemente muchos órdenes de magnitud menor. Si la conservación del número bariónico B fuera una ley física estricta, sería imposible que el universo evolucionara desde un estado de cantidades iguales de adelante y antibariones al estado actual. Entonces, los teóricos no pueden creer que hubiera más bariones que antibariones en el universo original. Entonces, ¿dónde está la solución al problema? ¿Es la conservación del número bariónico B definitivamente una ley física estrictamente establecida? Innumerables experimentos con partículas hasta ahora no han encontrado ningún caso de violación de la conservación del número bariónico, pero esto no significa que deba ser una regla estricta. Una revisión del desarrollo de la química puede servir como referencia. La reacción química es la recombinación de elementos. La experiencia demuestra que el número de átomos de cada elemento se conserva antes y después de la recombinación, e innumerables prácticas químicas demuestran que no hay excepciones. El fracaso de la alquimia a la hora de convertir el mercurio en oro proporciona una prueba del lado opuesto. Pero con el conocimiento de las reacciones nucleares, la gente ya sabe claramente que es muy posible que el mercurio se convierta en oro. La clave está en tener alta energía para provocar que el núcleo cambie. Las reacciones químicas se llevan a cabo en condiciones en las que la energía de las partículas es inferior a 1eV. En estas condiciones, los núcleos atómicos no pueden entrar en contacto entre sí y no pueden ocurrir reacciones nucleares. Si la energía de las partículas en el proceso excede 1 MeV, los núcleos estarán lo suficientemente cerca entre sí, cambiarán y se destruirá la conservación del número atómico. Desde este punto de vista, la conservación del número atómico en los procesos químicos no es accidental, sino que es sólo una ley fenomenológica de baja energía, no una ley natural universal. Basándose en el mismo principio, la conservación del número bariónico puede ser sólo una ley fenomenológica en un determinado rango de energía, en lugar de estar universalmente establecida. Cuando la energía de las partículas es mayor, la conservación del número bariónico puede no ser cierta en absoluto. Ésta es exactamente la salida que ven los teóricos actuales. Desde mediados de la década de 1970, el éxito de la teoría unificada electrodébil en la física de partículas ha desencadenado una tendencia a estudiar la gran unificación de interacciones. Según esta teoría, es natural que el proceso de destrucción de la conservación del número bariónico se produzca a altas energías. Esta tendencia en la física de partículas coincide con la necesidad en cosmología de resolver el problema de la asimetría entre materia y antimateria. Como resultado, este difícil problema ha progresado mucho como intersección de la física de partículas y la cosmología.
Ya está claro que para que el universo primitivo evolucione desde un universo primitivo con cantidades iguales de materia y antimateria a un estado dominado por la materia hoy, además de la posible destrucción de la conservación del número bariónico, también debe haber una cantidad adecuada de diferencia en las propiedades de interacción de la materia y las antipartículas. Dado que las leyes de la física de partículas en energías ultraaltas aún no se han dominado, todavía no es posible responder si la naturaleza realmente posee estos dos elementos. La gente todavía está explorando y explorando, si es un hecho que solo existe materia positiva. cuerpos celestes en el universo hoy en día, No es del todo seguro que el problema pueda resolverse de esta manera. En definitiva, todavía queda un largo camino por recorrer para desvelar por completo el misterio de la antimateria en el universo. Ya se puede predecir que la solución a este problema no sólo es importante para comprender el universo, sino que su impacto en la física también será profundo. Las siguientes son algunas de las mencionadas en la novela "Ángeles y demonios" (escrita por Dan Brown): La antimateria es la fuente de energía más poderosa conocida actualmente por la humanidad. Puede liberar energía con un 100% de eficiencia (la probabilidad de fisión nuclear es del 1,5%). La antimateria no causa contaminación ni produce radiación. Una pequeña gota de antimateria puede mantener la energía cinética de toda la ciudad de Nueva York durante todo el día. No seas demasiado optimista, puede haber peligros escondidos en ella... La antimateria es extremadamente inestable y puede convertir en cenizas cualquier cosa con la que entre en contacto... incluso el aire no es una excepción. Sólo un gramo de antimateria equivale a la energía de una bomba nuclear de 200.000 toneladas, más de 2.000 veces más poderosa que la bomba atómica lanzada sobre Hiroshima. Cuando la materia y la antimateria entran en contacto, los electrones de la capa más externa del átomo se cancelan entre sí porque tienen cargas opuestas. Los protones del núcleo también se cancelan entre sí por la misma razón. Los antineutrones chocan fuertemente con los neutrones debido a su magnetismo. es opuesto al de los neutrones. Emite una energía asombrosa. Una vez Einstein calculó esta relación total de liberación de energía; en comparación con esta liberación completa de energía, la fisión nuclear es tan trivial como encender una cerilla de seguridad.