Ni la primera vez, ni la última. La noticia del antihidrógeno en el CERN


Estos días el protagonista de las noticias científicas está siendo el antihidrógeno.

Se está leyendo por ahí que se ha producido por primera vez este átomo hecho por partículas de antimateria. El antihidrógeno estaría compuesto por un antiprotón (antipartícula del protón ordinario) y un positrón (antipartícula del electrón usual).  Pero esto no es del todo correcto, lo que se ha conseguido por primera vez es tener un haz de estos antihidrógenos y que recorran una determinada distancia.  Esto hará posible un estudio pormenorizado del espectro del antihidrógeno y su comparación con el espectro del hidrógeno cotidiano.

Afortunadamente, en esta ocasión, muchos medios han dado la noticia correctamente.  Por ejemplo:

La humanidad lanza su primer rayo de antiátomos, en Materia.

Aquí lo que vamos a hacer es explicar la importancia de esto y aclarar algunos detalles que son importantes para conocer el alcance de la noticia.

El artículo que ha generado la marejada en medios y blogs es:

A source of antihydrogen for in-flight hyperfine spectroscopy

No tan nuevo

La antimateria es una predicción teórica realizada por Dirac, en los años 20 del pasado siglo, cuando combinó de forma consistente la mecánica cuántica y la relatividad especial.  Uno de los resultados de este trabajo teórico fue que por cada partícula existente deberíamos de encontrar otra partícula que tuviera su misma masa y su mismo espín y todas las cargas aditiva (como la carga eléctrica) cambiadas de signo.  La partículas de antimateria se identificaron experimentalmente poco después. Para una explicación breve de este hecho:  Cuando los sueños se hacen realidad.

Los antiátomos, especialmente el antihidrógeno, han sido producidos en los experimentos desde 1995. Y desde 2010 se puede jugar con ellos de forma más o menos eficiente.

El problema a la hora de trabajar con antimateria es que cuando una partícula y su antipartícula se encuentran tienen una altísima probabilidad de desintegrarse en fotones.  Así que el mayor desafío no es el de crear antimateria, cosa que se hace a diario en muchos laboratorios del mundo, sino el de confinarla para que no entre en contacto con la materia ordinaria para evitar su desintegración conjunta.

Si un átomo de hidrógeno y uno de antihidrógeno se encuentran se desintegrarán con casi total seguridad.

Se han creado diversas formas de aislar la antimateria para tenerla un tiempo lo suficientemente largo como para estudiar sus propiedades. Se confina mediantes campos magnéticos, mediantes rayos láser, etc.

Materia y antimateria, ¿iguales o diferentes?

En el contexto teórico actual tenemos un teorema matemático conocido como CPT que nos asegura que las propiedades de la materia y la antimateria han de ser idénticas en lo referente a su masa y a su espín.  Lo único que las diferencia son las cargas de las partículas, por ejemplo, la carga eléctrica, el momento magnético, etc.

Esencialmente, este teorema de la teoría cuántica de campos que establece la igualdad entre materia y antimateria (en el sentido comentado anteriormente) se basa en que la naturaleza ha de satisfacer los requerimientos de la relatividad especial.  Es decir, si la relatividad especial es correcta a todas las escalas entonces si cambiamos todas la partículas del universo por sus antipartículas todo seguiría igual.

Ahora bien, como todo teorema físico puede que no sea cierto en todas las escalas de energía. Puede ocurrir que las hipótesis del teorema dejen de ser válidas en alguna situación.  Esto implicaría que la materia y la antimateria no se comportarían exactamente igual en todas las circunstancias.  Y esto podría explicar por qué en el universo primitivo se creó más materia que antimateria.

¿Para qué nos serviría este nuevo hecho experimental?

Lo que han hecho en el trabajo mencionado arriba es crear antiátomos de antihidrógeno y lanzarlos en un dispositivo de 2.7 metros para estudiar su espectro.

Cuando estudiamos el hidrógeno, esencialmente lo describimos como:

  1. Tenemos una pelota gorda cargada positivamente, el protón.
  2. Tenemos una pelota pequeña (unas 1800 veces más ligera que la anterior) cargada negativamente, el electrón. Ambas cargas son iguales en valor pero opuestas en signo.
  3. El sistema se liga por la interacción eléctrica.
  4. Estudiamos las posibles energías del sistema con la mecánica cuántica.

De hecho, el estudio de las energías de los átomos, especialmente las del hidrógeno, es uno de los grandes éxitos de la mecánica cuántica.  Lo que resulta es que el electrón ligado al protón no puede tener cualquier energía sino unos valores fijados.  A estos valores los llamamos niveles de energía.

Los números n indican el nivel de energía. El n=1 se denomina estado o nivel fundamental.

Los números n indican el nivel de energía. El n=1 se denomina estado o nivel fundamental.

Cualquier otra energía está prohibida para el electrón ligado al protón. Entonces, como regalo, sabemos que podemos pasar un electrón del primer nivel de energía a otro superior si le proporcionamos un fotón de la energía necesaria para producir el salto, ni más, ni menos.  La energía tiene que ser exactamente la del salto, si no es así el salto no se produce.  Entonces decimos que el electrón ha pasado de un nivel a un nivel inferior.  Si es del nivel fundamental, el de menor energía, a cualquier otro superior, decimos que el electrón se ha excitado en el átomo.

Además, los electrones excitados tienen la tendencia a saltar a niveles más bajos de energía. Y como consecuencia devuelven, emiten, un fotón justo con la energía del sato.

Este fenómeno hace que podamos identificar un átomo por los saltos de electrones entre sus niveles.  La estructura de niveles dependerá de cuantos protones tenga el núcleo atómico y cuantos electrones tenga en su alrededores. Lo cual hace que podamos medir los fotones que emiten átomos excitados y cada fotón tendrá una energía, es decir, un color.  A esto lo llamamos espectro atómico y es una firma personal de un átomo dado.

Para el hidrógeno tenemos un espectro de este tipo:

Que corresponden a estas transiciones entre niveles:

Estas son solo unas de las líneas posibles (para esas transiciones). El espectro completo es más completito.

Además de estas líneas, sucede que los protones y electrones generan campos magnéticos (este es el resultado de que estas partículas tengan espín) y según la orientación relativa entre los campos magnéticos generados por protón y electrón el nivel fundamental de energía se divide en dos subniveles.  Esto es lo que se conoce como estructura hiperfina.

Los espines del protón y del electrón pueden orientarse de forma relativa en dos configuraciones:

Y esto hace que el nivel fundamental de energía se divida en dos:

Si nos creemos que la antimateria y la materia son idénticas en propiedades físicoquímicas tenemos que aceptar que los espectros del hidrógeno y antihidrógeno serán iguales.

Esto es justo lo que quieren estudiar los físicos,el espectro del antihidrógeno.

Experimento

Los experimentadores han hecho lo siguiente:

  1. Han creado un método para generar antihidrógeno de baja energía. Este es un punto importante. Lo que quieren estudiar es la estructura hiperfina, por lo tanto, tienen que conseguir antihidrógenos en su estado fundamental.  Pero crear este tipo de antiátomos de baja energía no es tarea fácil.
  2. Inyectan antiprotones y positrones en trampas de confinamiento hechas con campos magnéticos y electroestáticos para que se formen los antiátomos.
  3. Luego lanzan estos antiátomos a un detector.

Son capaces de crear unos 25 antihidrógenos por hora. Han conseguido haces de 80 antihidrógenos, no está nada mal.  Y además, una fracción importante de los mismos tenía estados de energía por debajo del nivel 29.

La verdad es que este resultado es magnífico.  Abre la puerta al estudio pormenorizado de los antihidrógenos y poder hacer espectroscopía de verdad con este tipo de bichos.  Seguro que este tipo de experimentos se mejoran y nos dan agradables sorpresas. Vamos a aprender un montón sobre la antimateria en los próximos tiempos. Estaremos atentos.

Nos seguimos leyendo…

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14 Respuestas a “Ni la primera vez, ni la última. La noticia del antihidrógeno en el CERN

  1. Tom Woog González me parece que es de los pocos comentarios sensatos y críticos con el desarrollo de la físca actual que he leido. Estoy terminando un CC en esta línea, de desacuerdo con el tipo de investigación que se está realizando

  2. Pingback: Bitacoras.com

  3. Pingback: Francis en #rosavientos: Lanzan el primer rayo de antiátomos | La Ciencia de la Mula Francis

  4. Cacé un tuit el otro día con el titular y tenía el artículo que difundió la agencia SINC pendiente de leer porque el titular me generaba muchas dudas. Moles de gracias por este artículo tan clarificador.

  5. Le recomiendo a “Tom Wood Gonzales” que haga su propio articulo exponiendo sus ideas y lo publique que es justo lo que ha hecho el autor de esta pequeña reseña científica.

    También le recomiendo que se centre en el tema que se trate cuando responda o haga algun comentario.

    • Tom Wood Gonzalez

      San Pedro; no se ni que responderte;…. no sé a qué nivel está tu fisca o que buscas en realidad. Dejame aclararte algunas dudas, porque tal vez otros también las tengas.
      Comencemos por el escrito de CC, según creo que me pides. Este un artículo de mera información física; así que si entendemos la MC básica de la que se esta hablando, pues hay poco que decir. Lo de crear átomos artificialmente, ya sean de partículas de cortos tiempos de vidas(muónicos), de más partículas aglutinadas que el uranio(transuránicos,…) o de antipartículas (antihidrógeno, antihelio,…); son ideas ya viejas en físicas, y por tanto conocidas por todos. Incluso hasta por los periodistas, que ya es mucho decir. Y tal vez esa sea la razón de que informaran (que es lo que hacen los periodistas,… no son científicos, please) la noticia con objetividad.
      Lo novedoso que tiene la noticia, es la técnica experimental que están probando, y no la MC en sí que encierra. Esta parte de la Mecánica Cuántica; es la única que merece el nombre de Mecánica Cuántica (MC). Es la más fenomenológica; por eso es la más bonita y entendible matemáticamente. Aunque si te abruma un poco, no leas mi escrito (eso no es importante ahora para ti, ya tendras esas necesidades), y concéntrate en ese contenido tan bello de la MC. Ya veras que con poco esfuerzo logras entenderlo. A ver si logro ayudarte de alguna manera.

      • Tom Wood Gonzalez

        Para entender esta parte del átomo de hidrógeno, solo tienes que entender la esencia de la técnica de teoría de perturbación. Que consiste en lo siguiente.
        Veámoslo con la tierra, en el sistema solar; para que nunca se te olvide la esencia de ese ingenioso método: Como se sabe la tierra se traslada alrededor del Sol y no del resto de los cuerpos que componen el sistema solar. Pues eso te esta diciendo, que esa es casi toda la energía de enlace de sus interacciones. (En el hidrógeno se obtiene experimentalmente unos 13,6 eV. Que después Bohr increíblemente, y sin explicación convincente para mi hasta el día de hoy, obtiene con su MODELO {vez, es la matemática la que se amolda a la naturaleza, la que media entre esta y nosotros,… y no al revés} planetario; de ahí su éxito.) Pues calculas esa energía, olvidandote del resto de sus interacciones con los demás cuerpos, solo teniendo en cuenta su energía cinética y su energía potencial de enlace entre la tierra y el Sol. Supón que esta es el 95% del total. Después tendrías que analizar que la tierra no solo tiene energía de traslación, sino de rotación. Entonces, agregas ese término, de forma lineal(que es lo que le da facilidad y potencia de cálculo al método), al término que representa la interacción mayoritaria(Tierra-Sol). Ya que este también perturba, contribuye al estado final que le medimos a la tierra. De ahí lo de teoría de perturbaciones. Después agregamos la perturbación que provoca la Luna sobre la Tierra, que supondremos menor aquí, ya que lo que nos interesa es la idea general de la técnica matemática. Ahora, supongamos que eso es lo que tu necesitas saber para poner con relativo éxito, un satélite en alguna órbita o lugar entre la Tierra y la Luna.
        Ahora, si vas a poner una nave en Marte, necesitarias; agregar (tener en cuenta) a los términos anteriores, la perturbación, de Mercurio, Venus y Martes. Pero si la nave va ha ir a Plutón, pues tendrias que agregar la contribución energética del resto de los planetas, su traslación, rotación,… Y si va la Sol, pues el centro de masa entre el Sol y la Tierra. Ya que el Sol también se mueve un poquito,… Es decir, ya el término de la energía tendría más de una decenas de sumandos, y aunque sean lineales; sería más agradable calcularlo en un ordenador,…
        Ah, pero un buen dia, pasa un enorme cometa por el sistema solar y alguien descubre que la trayectoria real, que siguió después de pasar los planetas mayores, tenía una casi imperceptible desviación. Como ya tenemos ciertas experiencias con las técnica perturbativa; es lógico suponer, que alguna contribución, o perturbación FINA de la estructura del sistema solar, se nos olvido, se nos escapó, y hay que buscarla para incorporarla al largo término que ya conocemos. Ah, es la masa del cinturón de asteroide que esta después de Marte.
        Más adelante, alguien descubre (los descubrimientos se hacen debatiendo ideas, propuestas intelectuales. Así que no le tengas miedo a las ideas.) también, que aún así; cada 4 año la tierra varía su movimiento en un segundo. Y se pone a meditar qué perturbación se le quedó afuera, y que contribuye con ese efecto tan hiperFINO. Y se da cuenta, que el Sol y demás planetas, no son partículas/puntos; sino, que tienen radios. Así que introduce un término más, que aunque comparado con la distancia entre los astros es nada, no deja de ser algo real. Supongamos que la contribución de ese término más FINO (hiperFINO), podría ser, de 0,001% de energía total ya calculada.
        Por último, un buen dia, a algunos científicos se les ocurre lanzar la alarma, que un fatal día, un cuerpo extrasolar podría entrar a nuestro sistema y chocar contra la tierra. Que a pesar de que el radio de la Tierra; comparado con el del sistema solar; es como el del tamaño de una hormiga y la tierra; existe tal posibilidad. Entonces hay que calcular con la mayor precisión posible esa trayectoria y para eso no debe quedar ningún efecto raro que contribuya a la energía total.
        Y ahí deciden agregar el término de las raras trayectorias de Mercurios; que describe muy bien la teoría de la relatividad. Es decir, agregamos una “corrección” relativista, para acercarnos más a la realidad.
        Solo agregar que el orden en que pongo las contribuciones, no es real y es solo una amena forma didáctica; para fijar la idea de la técnica. Y que en MC, increíblemente hasta se tiene en cuenta la masa del núcleo (protón), el radio(10^-15 m), la interacción Spin-Spin, Spin-Órbita; cosas asi hiperfinas. O de ínfimas energías de interacción-contribución, pero que se ven en los espectros de rendijas con poder separador hiperfinos, y por lo tanto existen; y hay que achacarcelas a algo, y ese algo debe dar ese valor experimental; para que la suposición de lo que ocurre ahí dentro, se considere la realidad. Hay otras contribuciones, otras cosas más que CC, de seguro se verá obligado a tocarlas algun dia.
        Bueno, lo interesante de toda esta técnica, cuando lo extrapola a la MC, es que, una vez que conoces el término base(logras hacer corresponder una fórmula, a su valor experimenta, los 13,6 eV de que hable,…l); el de mayor contribución, no tienes que poner esa morcilla de términos perturbativos en el mismo hamiltoniano (energías cinéticas más energías potenciales clásica. Dirac, en principio, hace lo mismo que Schrodinger, pero con la expresión de la energía relativista,… aunque no es una técnica lineal en sí misma, por eso más insípida fenomenológicamente hablando.), sino que puedes hacer el cálculo por separado, para cada perturbación en particular. Eso es algo extraordinario, increíble! Y eso es gracia a que estas contribuciones energéticas puestas así, se agregan, se suman, de forma separadas, en series, de formas lineales. Eso hace más facilita el cálculo, más mecánico, y la comprensión fenomenológica de que pasa ahí adentro es increible. Algo que no se consigue, con la explicación del efecto túnel(por eso todo el mundo especula,…); ya que no pasa de ser una mera asignación matemática (a un fenómeno, para mí mucho más complejo, diferente, no lineal y relacionado con la estructura interna del electrón. En mi modelo, “luz” campo confinado,…), lo de la barrera de potencial, que la onda tiene baja probabilidad de traspasar; pero ese es otro tema. Como ves, si hay mucha relación entre todas estas cosas, y si no la ves; no podras comprenderlas jamás. Bueno, comprender?,… es una forma de decirlo.

        • Tom Wood Gonzalez

          Si tu defenza de CC es de corazón: El no la necesita. Bueno no tengo nada personal en contra de CC; por si esa es la impresion que te causan mis palabras. Coincidimos, coincido con él (cada día más) en muchas cosas que critica; y nuestras diferencias son más de forma, de semántica(que no es física en sí), de enfoques, que de contenidos.
          Si tu defensa es por congraciarse con el administrador del blog: Pues lo mismo; él no lo necesita. Y con el tiempo que llevo por estos blog; te digo que personas asi, ya han pasado decenas. En sentido neto, aportan muy poco al enriquecimiento global de los blog, y solo buscan cualquier pretexto para armar discusiones intrascendentes con los demás foristas.

  6. Pingback: Antimateria | Annotary

  7. Tom Wood Gonzalez

    La excesiva matematización de la enseñanza de la física (profesores con la cabeza cargada de formulitas), por razones políticas (más becas, más universidades,… más votos,…), sociales (personas con desventajas sociales no podrían acceder a ella,…) y económicas (80% del tiempo frente al profesor y ~20% formal en el laboratorio,…); han creado a través de los años y del del ciclo,… alumno, docente,… alumno docente,… una simplona subcultura física, ya oficializada, que prolonga patrones negativos.

    “La antimateria es una predicción teórica realizada por Dirac, en los años 20 del pasado siglo,…”

    1-Donde se sustituye mecánicamente la realidad histórica de la evolución de los descubrimientos fisicos, por la no realidad de la organización lógica que hay que darle a los libros de textos, para condensar didácticamente el conocimiento.

    “…se basa en que la naturaleza ha de satisfacer los requerimientos de la relatividad especial.”

    2-La mala formación fenomenológica; los pone por encima del objeto a modelar. Es decir, lo mismo, la matemática le da órdenes a la naturaleza y todo por razones económicas (80% del tiempo frente al profesor y ~20% formal en el laboratorio,…).

    Eso hace que en 300 años los fisicos anteriores lograron cinco saltos cualitativos o paradigmas para superar el inmovilismo físico, que trae aparejados los nuevos experimentos que no pueden ser explicados con los viejos conocimientos fisicos. Ahora, que hay más cosas extrañas sin explicar que nunca; llevamos 100 años sin ningún salto cualitativo. Mi idea es que eso esta dado por la aberrante educacion fisica; que crea fisicos que sustituyen la naturaleza, por la metafísica-matemática que crea sus cabezas.

    • Tom Wood Gonzalez

      Para mi es y ha sido contraproducente hacerle creer a varias generaciones de fisicos; por las razones antes expresadas, que desde las metafísicas-matemáticas se pueden hacer descubrimientos fisicos relevantes. Hay una confusión con lo que mezclo Dirac y el resultado que obtuvo de juntar varias cosas que andaban por separado, pero que se le median a la misma partícula. El asunto es que en gran dominio que tenía Dirac de la electrodinámica clásica, le permite extrapolar creativamente la ecuación relativista de la energía, en la cuantización de los estados de una partícula libre, e introducir la propiedad de spin, de forma ad hoc. Como no podría ser de otro modo; ya que nadie conoce, ni le interesa la estructura interna de un electrón. De ahí sale lo de las dos “bandas” de energía; lo que dio lugar a los mares de energía y los estados llenos de partículas positivas, protones. Que no se corresponden con sus premisa; porque había partido de una misma masa y toda esa cantaleta que se ha desvanecido con en tiempo y que casi todos desconocen; por lo que se ve.
      Ahora después Anderson, descubre una partícula de igual trayectoria (de igual masa) y pero que se desvía en dirección opuesta por un mismo campo magnético. Pero aunque las historias físicas, se van reareglando después (eso ha partir de ahora no será posible, por más que se censure, ya que existen estos blog de criterios personales,…), de la forma más romántica posible para buscar glorias y premios. Una cosa no tiene relación con la otra. Lo que se hace es reareglar, ajustar, lo más concordante, elegante posible, esa modelación de Dirac, al nuevo descubrimiento y presentarla de forma moderna. Tal vez el propio Dirac, buscando su gloria (que la tiene); trato de salvar la situación, diciendo: “Mi ecuación es más inteligente que yo”. Haciendo lo mismo con los monopolos magnéticos (y olvidándose de Faraday y Maxwell, increíblemente el que más los conocía); se olvidó que la naturaleza es el objeto a modelar, lo confió todo a la lógica de la metafísica-matemática y no tuvo la misma suerte, de que su ecuación fuera más inteligente que el.
      Esto es más o menos lo que pasa con la resonancia encontrada en el CERN, que al estar casi en la escala(está muy por debajo), donde debía encontrarse el mecanismo de Higg. Se dice que es la prueba de un extraño, e indemostrable mecanismo. Que por demás, en su esencia histórica física, no es nada nuevo, ya otro había hablado de esa posibilidad,…. Mira, es que introducir las masas de las partículas desde afuera; sigue siendo causado por la frustración física de siempre (particular/punto implica renormalización); de no poder modelar todas las propiedades del electrón, desde su interior. Ese es el asunto de fondo en todo esto y desde mi punto de vista el único problema gordo que tenemos los fisicos, pero que rehuyen enfrentar por falta de imaginación fisica.
      Decirle a los estudiantes que desde la metafísica-matemática se predice la naturaleza; es llevarlos a que construyan más teorías de cuerdas o cosas asi, que no resuelven los puntos medulares, a pesar de los recursos que reciben.

  8. Reblogueó esto en Health Infiltration – Tras las líneas 'enemigas'y comentado:
    Interesante y clarificadora explicación de la importancia del haz de antihidrógeno del CERN

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