Estados Unidos - El acelerador relativista de iones pesados (RHIC, por sus siglas en inglés), ubicado en Nueva York, es un "aplastador de átomos” que recrea las condiciones del universo primitivo". Ha sido allí donde un grupo de científicos, encargados de estudiar las huellas de partículas que se desprenden de seis mil millones de colisiones de núcleos atómicos, ha 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), estos antinúcleos exóticos se conocen como antihiperhidrógeno-4.

Los expertos hicieron el descubrimiento utilizando su detector de partículas del tamaño de una casa para analizar los detalles de los restos de la colisión. Y publicaron sus resultados en un artículo que ha visto la luz este miércoles en la revista Nature, en el que explicaron cómo ya habían utilizado estas antipartículas exóticas para buscar diferencias entre la materia y la antimateria.

"Nuestros conocimientos físicos sobre la materia y la antimateria indican que, a excepción de que tienen cargas eléctricas opuestas, la antimateria tiene las mismas propiedades que la materia: la misma masa, el mismo tiempo de vida antes de desintegrarse y las mismas interacciones", explicó Junlin Wu, estudiante de posgrado en el Departamento Conjunto de Física Nuclear de la Universidad de Lanzhou y el Instituto de Física Moderna de China. 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 mil millones de años. "Por qué nuestro universo está dominado por la materia es todavía una incógnita, y no sabemos la respuesta completa", declaró Wu.

El RHIC es un buen lugar para estudiar la antimateria. Sus colisiones de iones pesados ​​(núcleos atómicos a los que se les han quitado sus electrones y se les ha acelerado hasta casi la velocidad 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 bloques de construcción más fundamentales de la materia visible, genera miles de partículas nuevas. Y, al igual que el universo primitivo, el RHIC produce materia y antimateria en cantidades casi iguales. Comparar las características de las partículas de materia y antimateria generadas en estas colisiones de partículas podría ofrecer pistas sobre alguna asimetría que inclinó la balanza a favor de la existencia de materia en el mundo actual.

Un hallazgo fruto de la "casualidad"
"Para estudiar la asimetría materia-antimateria, el primer paso es descubrir nuevas partículas de antimateria", detalló Hao Qiu, físico y asesor de Wu. "Esa es la lógica básica detrás de este estudio". Los físicos ya habían observado núcleos hechos de antimateria creada en colisiones RHIC. En 2010, detectaron el antihipertritón, 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 únicamente los quarks 'arriba' y 'abajo' más ligeros que forman los protones y neutrones ordinarios. Luego, solo un año después, los físicos superaron ese récord de antimateria al detectar el equivalente de antimateria del núcleo de helio: antihelio-4 .

Un análisis más reciente sugirió que el antihiperhidrógeno-4 también podría estar al alcance. Pero detectar este antihipernúcleo inestable en el que la adición de un antihiperón (específicamente una partícula antilambda) en lugar de uno de los protones del antihelio superaría una vez más al poseedor del récord de peso pesado) sería un evento raro. Requeriría que los cuatro componentes (un antiprotón, dos antineutrones y un antilambda) fueran emitidos desde la sopa de quarks y gluones generada en las colisiones del RHIC en el lugar correcto, en la misma dirección y en el momento correcto para agruparse en un estado temporalmente ligado.

"Es casualidad que estas cuatro partículas constituyentes surjan de las colisiones del RHIC lo suficientemente cerca unas de otras como para que puedan combinarse para formar este antihipernúcleo", aseveró el físico del Laboratorio Brookhaven de EEUU, Lijuan Ruan.

El camino hacia el nuevo descubrimiento
Para encontrar el antihiperhidrógeno-4, los físicos observaron las trazas de las partículas en las que se desintegra este antihipernúcleo inestable. Uno de esos productos de desintegración es el núcleo antihelio-4 detectado anteriormente; el otro es una partícula simple con carga positiva llamada pión (pi + ). "Dado que el antihelio-4 ya se había descubierto, utilizamos el mismo método empleado anteriormente para captar esos eventos y luego los reconstruimos con pistas pi + para encontrar estas partículas", deslizó Wu.

Por reconstrucción, se refiere a volver a trazar las trayectorias de las partículas de antihelio-4 y pi + para ver si emergieron de un único punto. Pero las colisiones en el RHIC producen una gran cantidad de piones. Y para encontrar los raros antihipernúcleos, los científicos examinaron miles de millones de eventos de colisión. Cada antihelio-4 que emerge de una colisión podría estar emparejado con cientos o incluso 1000 partículas pi + .

"La clave fue encontrar aquellas en las que las dos trayectorias de partículas tienen un punto de cruce, o vértice de desintegración, con características particulares", ilustró 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 trabajó arduamente para descartar el fondo de todos los demás posibles pares de desintegración. Al final, su análisis arrojó 22 eventos candidatos con un recuento de fondo estimado de 6,4. "Eso significa que alrededor de seis de los que parecen desintegraciones del antihiperhidrógeno-4 pueden ser simplemente ruido aleatorio", comentó Emilie Duckworth, una estudiante de doctorado en la Universidad Estatal de Kent (EEUU), cuyo papel era garantizar que el código informático utilizado para examinar todos esos eventos y seleccionar las señales estuviera escrito correctamente. Al restar ese fondo de 22, los físicos tienen la seguridad de haber detectado alrededor de 16 núcleos reales de antihiperhidrógeno-4.

Comparación materia-antimateria
El resultado fue lo suficientemente significativo para que el equipo hiciera algunas comparaciones directas entre materia y antimateria. Compararon la duración de vida del antihiperhidrógeno-4 con la del hiperhidrógeno-4, que está formado por las variedades de materia ordinaria de los mismos componentes básicos. También compararon las duraciones de vida de otro par de materia-antimateria: el antihipertritón y el hipertritón. Ninguno mostró una diferencia significativa, lo que no sorprendió a los científicos.

Los experimentos, explicaron, eran una prueba de una forma particularmente fuerte de simetría. Los físicos generalmente coinciden en que una violación de esta simetría sería extremadamente rara y no sería la respuesta al desequilibrio materia-antimateria en el universo. "Si viéramos una violación de esta simetría [en particular], básicamente tendríamos que tirar por la ventana mucho de lo que sabemos sobre física", afirmó Duckworth.

En este caso, fue un alivio saber que la simetría todavía funciona. El equipo estuvo de acuerdo en que los resultados confirmaban 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.

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Con información de: El Independiente

CD/NR