Detectado el núcleo de antimateria más pesado observado hasta ahora
Físicos dan caza al núcleo de antimateria más pesado observado hasta la fecha: el antihiperhidrógeno-4. Este está compuesto por cuatro partículas de antimateria: un antiprotón, dos antineutrones y un antihiperón.
Por el Laboratorio Nacional de Brookhaven
Representación artística delantihiperhidrógeno-4, un hipernúcleo de antimateria hecho de un antiprotón, dos antineutrones y una partícula antilambda, creada en una colisión de dos núcleos de oro (izquierda). Cortesía: Instituto de Física Moderna de China
Los físicos que estudian las huellas de partículas procedentes de seis mil millones de colisiones de núcleos atómicos en el colisionador relativista de iones pesados (RHIC) —un destructor de átomos que recrea las condiciones del universo primitivo— han descubierto un nuevo tipo de núcleo de antimateria, el más pesado jamás detectado. Compuesto por cuatro partículas de antimateria —un antiprotón, dos antineutrones y un antihiperón—, este exótico antinúcleo se conoce como antihiperhidrógeno-4.
Los miembros de la Colaboración STAR del RHIC, en en Upton (Nueva York), hicieron el descubrimiento utilizando su detector de partículas del tamaño de una casa para analizar los detalles de los restos de la colisión. Los resultados del ensayo aparecen publicados en la revista Nature y explican cómo ya han utilizado estas exóticas antipartículas para buscar diferencias entre materia y antimateria.
«Lo que sabemos sobre la materia y la antimateria es que, salvo por tener cargas eléctricas opuestas, la antimateria tiene las mismas propiedades que la materia: misma masa, mismo tiempo de vida antes de desintegrarse y las mismas interacciones», dice Junlin Wu, colaborador del STAR y estudiante de posgrado en el Departamento Conjunto de Física Nuclear de la Universidad de Lanzhou y el Instituto de Física Moderna de China.
Nuestro universo está hecho de materia y no de antimateria
Pero la realidad es que nuestro universo está hecho de materia y no de antimateria, aunque se cree que ambas se crearon en cantidades iguales en el momento del big bang, hace unos 14.000 millones de años. «Por qué nuestro universo está dominado por la materia sigue siendo una incógnita, y no conocemos la respuesta completa», afirma Wu.
El RHIC es un buen lugar para estudiar la antimateria. Las colisiones de iones pesados —núcleos atómicos desprovistos de electrones y acelerados a una velocidad cercana a la de la luz— derriten los límites de los protones y neutrones individuales de los iones. La energía depositada en la sopa resultante de quarks y gluones libres —los componentes más fundamentales de la materia visible— genera miles de nuevas partículas.
Y al igual que en el universo primitivo, el RHIC produce materia y antimateria en cantidades prácticamente iguales. La comparación de las características de las partículas de materia y antimateria generadas en estos choques de partículas podría ofrecer pistas sobre alguna asimetría que inclinó la balanza a favor de la existencia de la materia en el mundo actual.
La asimetría materia-antimateria
«Para estudiar la asimetría materia-antimateria, el primer paso es descubrir nuevas partículas de antimateria —explica Hao Qiu, físico del STAR y asesor de Wu en el Instituto de Física Moderna de China. Y añade—: Esa es la lógica básica de este estudio».
Los físicos dl STAR ya habían observado núcleos de antimateria creados en colisiones del RHIC. En 2010, detectaron el antihipertritón. Este fue el primer caso de un núcleo de antimateria que contenía un hiperón, que es una partícula que contiene al menos un quark extraño en lugar de los quarks up y down más ligeros que componen los protones y neutrones ordinarios. Un año más tarde, los físicos de STAR batieron el récord de antimateria al detectar el equivalente en antimateria del núcleo de helio: el antihelio-4.
Imagen compuesta del detector STAR y un ejemplo de las trayectorias de partículas que detecta emergiendo de una colisión oro-oro en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC). Cortesía: oe Rubino and Jen Abramowitz / Brookhaven National Laboratory
Un análisis más reciente sugería que el antihiperhidrógeno-4 también podría estar al alcance de la mano. Pero la detección de este antihipernúcleo inestable —en el que la adición de un antihiperón, concretamente una partícula antilambda, en lugar de uno de los protones del antihelio volvería a superar al plusmarquista— sería un acontecimiento poco frecuente.
Un antiprotón, dos antineutrones y un antilambda
Para ello sería necesario que los cuatro componentes —un antiprotón, dos antineutrones y un antilambda— se emitieran desde la sopa de quark-gluones generada en las colisiones RHIC justo en el lugar adecuado, en la misma dirección y en el momento preciso para agruparse en un estado temporalmente ligado.
«Solo por casualidad estas cuatro partículas constituyentes emergen de las colisiones RHIC lo suficientemente juntas como para combinarse y formar este antihipernúcleo», explica Lijuan Ruan, físico del Laboratorio Brookhaven y uno de los dos coportavoces de la colaboración STAR.
Para encontrar el antihiperhidrógeno-4, los físicos del STAR observaron las huellas de las partículas en las que se desintegra este antihipernúcleo inestable. Uno de esos productos de desintegración es el núcleo de antihelio-4 previamente detectado; la otra es una simple partícula cargada positivamente llamada pión (Pi+).
«Dado que el antihelio-4 ya se descubrió en STAR, utilizamos el mismo método utilizado anteriormente para recoger esos eventos y luego los reconstruimos con pistas pi+ para encontrar estas partículas", dice Wu.
El papel de las artículas pi+
Por reconstrucción se refiere a volver a trazar las trayectorias de las partículas de antihelio-4 y pi+ para ver si emergieron de un solo punto. Pero los choques del RHIC producen muchos piones. ¡Y para encontrar los raros antihipernúcleos, los científicos estaban examinando miles de millones de eventos de colisión! Cada antihelio-4 que emerge de una colisión podría emparejarse con cientos o incluso mil partículas pi+.
«La clave era encontrar aquellas en las que las dos pistas de partículas tuvieran un punto de cruce —o vértice de desintegración— con características particulares», explica Ruan. Es decir, el vértice de desintegración tiene que estar lo suficientemente lejos del punto de colisión como para que las dos partículas pudieran haberse originado a partir de la desintegración de un antihipernúcleo formado justo después de la colisión a partir de partículas generadas inicialmente en la bola de fuego.
El equipo del STAR se esforzó por descartar los antecedentes de todas las demás posibles parejas de desintegración. Al final, su análisis arrojó 22 eventos candidatos con un recuento de fondo estimado de 6,4.
Diecisési núcleos antihiperhidrógeno-4 reales
«Eso significa que alrededor de seis de los que parecen desintegraciones del antihiperhidrógeno-4 pueden ser simplemente ruido aleatorio», explica Emilie Duckworth, estudiante de doctorado de la Universidad Estatal de Kent (Estados Unidos), cuyo papel consistió en asegurarse de que el código informático utilizado para cribar todos esos sucesos y seleccionar las señales estuviera escrito correctamente.
Al restar ese fondo de veintidós, los físicos confían en haber detectado unos diecisési núcleos antihiperhidrógeno-4 reales.
El resultado fue lo suficientemente significativo como para que el equipo del STAR hiciera algunas comparaciones directas de materia-antimateria.
Compararon el tiempo de vida del antihiperhidrógeno-4 con el del hiperhidrógeno-4, que está hecho de las variedades de materia ordinaria de los mismos bloques de construcción. También compararon las vidas de otro par de materia-antimateria: el antihipertritón y el hipertritón.
Ninguno de los dos mostró una diferencia significativa, lo que no sorprendió a los científicos.
Diferencia de masa entre las partículas y las antipartículas
Los experimentos, explicaron, eran una prueba de una forma particularmente fuerte de simetría. Los físicos generalmente están de acuerdo en que una violación de esta simetría sería extremadamente rara y no tendría la respuesta al desequilibrio materia-antimateria en el universo.
"Si fuéramos a ver una violación de [en particular] esta simetría, básicamente tendríamos que tirar por la ventana mucho de lo que sabemos sobre física", dice Duckworth.
Así que, en este caso, fue un poco reconfortante que la simetría siguiera funcionando. El equipo coincidió en que los resultados confirman aún más que los modelos de los físicos son correctos y son "un gran paso adelante en la investigación experimental sobre la antimateria".
El siguiente paso será medir la diferencia de masa entre las partículas y las antipartículas, que Duckworth está llevando a cabo.▪️
Información facilitada por el Laboratorio Nacional de Brookhaven -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: STAR Collaboration. Observation of the antimatter hypernucleus Λ¯4H¯. Nature (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07823-0
