Detector STAR, especializado en el seguimiento de las miles de partículas producidas por cada colisión de iones en el RHIC."Este descubrimiento experimental puede tener consecuencias sin precedentes para nuestra visión del mundo", comentó el físico teórico Horst Stoecker, vicepresidente de la Asociación Helmholtz de los Laboratorios Nacionales de Alemania. "Esta antimateria empuja la puerta a nuevas dimensiones en la tabla nuclear, una idea que apenas hace unos años habría sido considerada como imposible."
El descubrimiento podría ayudar a esclarecer los modelos de las estrellas de neutrones y se abre la exploración de las asimetrías fundamentales en el universo temprano.
Un nuevo terreno nuclear
Todos los núcleos terrestres están hechos de protones y neutrones, que a su vez están compuestos de quarks arriba y abajo. La tabla periódica de elementos estándar se establece de acuerdo al número de protones, que determinan las propiedades químicas de cada elemento. Los físicos usan un más complejo gráfico de tres dimensiones para transmitir información sobre el número de neutrones, que pueden cambiar en los diferentes isótopos del mismo elemento, y un número cuántico conocido como "extrañeza", que depende de la presencia de los quarks extraños (se muestra en el diagrama). Los núcleos que contienen uno o más quarks extraños son llamados hipernúcleos.
El diagrama anterior se conoce como el gráfico 3-D de los nucleidos. La familiar tabla periódica organiza los elementos según su número atómico, Z, que determina las propiedades químicas de cada elemento. Los físicos también están interesados en el eje N, que da el número de neutrones en el núcleo. El tercer eje representa la extrañeza, S, que es cero para todos los núcleos que existen normalmente, pero podría ser distinto de cero en el núcleo de estrellas colapsadas. Los antinúcleos se encuentran en los ejes Z y N negativos de la tabla anterior, y el recién descubierto antinúcleo (magenta), ahora extiende el gráfico 3-D en la nueva región de antimateria extraña.Para toda la materia ordinaria, sin quarks extraños, el valor es cero y la extrañeza de la tabla es plana. Los hipernúcleos aparecen por encima del plano de la tabla. El nuevo descubrimiento de antimateria extraña con un quark antiextraño (un antihipernúcleo) marca la primera entrada por debajo del plano.
Este estudio de los nuevos antihipernúcleos también produce una valiosa muestra de hipernúcleos normales, y tiene implicaciones para nuestra comprensión de la estructura de las estrellas colapsadas.
"El valor de extrañeza puede ser distinto de cero en el núcleo de estrellas colapsadas", dijo Jinhui Chen, uno de los autores principales, un investigador postdoctoral en la Universidad Estatal de Kent y en la actualidad un científico del personal del Instituto de Física Aplicada de Shanghai", de modo que las mediciones presentes en el RHIC nos ayudarán a distinguir entre los modelos que describen estos estados de la materia exótica".
Los resultados también allanan el camino hacia la exploración de violaciónes de las simetrías fundamentales entre materia y antimateria que se produjeron en el universo temprano, haciendo posible la existencia misma de nuestro mundo.
Las colisiones en el RHIC fugazmente producen las condiciones que existían unos pocos microsegundos después del Big Bang, que los científicos creen dieron nacimiento al universo como lo conocemos hace unos 13.700 millones de años. La densidad de energía enorme que existía en ese tiempo se han mantenido los quarks separados uno del otro, en lo que predice la teoría habría sido un gas muy caliente de quarks libres, antiquark y gluones conocido como plasma de quarks y gluones. Como el plasma se fue expandiendo y enfriando los quarks se han unido a otros para formar una serie de hadrones, incluyendo los protones y los neutrones (compuestos únicamente de quarks arriba y abajo), hiperones (que contienen quarks extraños) y todas las antipartículas correspondientes. En las colisiones núcleo - núcleo en el RHIC, así como en el Big Bang, los quarks y los antiquarks emergen con igual abundancia. En el RHIC, entre los fragmentos de colisiones que sobreviven al estado final, la materia y la antimateria están aún cerca de ser tan abundantes, incluso en el caso de los antinúcleos relativamente complejos y sus socios de la materia normal, aparecidos en el presente estudio. En contraste, la antimateria parece estar ausente en el universo actual.
Con respecto a la semejanza en la abundancia, el número de hipertritones y antihipertritones producido en las colisiones del RHIC (alrededor de 160 y 70 respectivamente) está muy igualado al número núcleos de helio-3 y antihelio-3 generados. Mike Charlton, de la Universidad de Swansea en el Reino Unido, que no es miembro de la colaboración STAR, señala que esto implica que el gas caliente primordial debe haber contenido una cantidad similar de quarks extraños y quarks arriba y abajo. Esto, dice, es una indicación de que el gas es de hecho un verdadero plasma de quarks y gluones, como los físicos creen. "La investigación es un tour-de-force de análisis y pone de relieve el inmenso poder de las modernas tecnologías de detectores de partículas y técnicas", añade.
"Entender exactamente cómo y por qué hay un predominio de la materia sobre la antimateria sigue siendo un problema no resuelto de la física", dijo el físico de Brookhaven Zhangbu Xu, otro de los autores principales. "Una solución requerirá medidas de las desviaciones sutiles de la perfecta simetría entre materia y antimateria, y hay buenas perspectivas para las futuras mediciones de la antimateria en el RHIC para abordar esta cuestión clave".
En una sola colisión de núcleos de oro en el RHIC, se emiten cientos de partículas, la mayoría creadas a partir del vacío cuántico a través de la conversión de energía en masa, de conformidad con la famosa ecuación de Einstein E = mc 2. Las partículas dejan huellas indicadoras en el detector de STAR (en la imagen del extremo y lateral). Los científicos analizaron un centenar de millones de colisiones para detectar el nuevo antinúcleo, identificado a través de su desintegración característica en un isótopo ligero de antihelio y un mesón pi positivo. En total, se encontraron 70 ejemplos del nuevo antinúcleo.El equipo de STAR ha encontrado que la velocidad a la que se producen sus antinúcleos más pesados es consistente con las expectativas basadas en una recopilación estadística de antiquarks de la sopa de quarks y antiquarks generados en las colisiones RHIC. A través de la extrapolación de este resultado, los investigadores creen que deben ser capaces de descubrir antinúcleos aún más pesados en el colisionador en los próximos períodos de ejecución. El físico teórico Stoecker y su equipo han predicho que los núcleos extraños, con aproximadamente el doble de la masa del nuevo estado recién descubierto, deben ser particularmente estables.
La colaboración STAR RHIC ahora está encaminada a reanudar los estudios de la antimateria con capacidades mucho mayores. Los científicos esperan aumentar sus datos por un factor de 10 en los próximos años.
La colaboración STAR se compone de 54 instituciones de 13 países. La Investigación en el RHIC es financiada principalmente por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía y por las diversas instituciones colaboradoras nacionales e internacionales.
Fuentes originales:
• Exotic antimatter detected at RHIC
• Exotic Antimatter Detected at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
• RHIC nets strange antimatter
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