La antipartícula del Helio

Dieciocho ejemplos de la mayor antipartícula que se ha encontrado hasta la fecha, el núcleo del antihélio-4, se han contabilizado en el experimento STAR en el RHIC, el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas en los EE.UU. del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional de Brookhaven.

“El experimento STAR es el único capaz de encontrar antihélio-4″, dice el portavoz del experimento STAR, Nu Xu, de la División de Ciencias Nucleares (NSD) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). ”STAR ya tiene el récord de antipartículas masivaa, el año pasado pudo haber identificado los anti-hipertriton, que contiene tres antipartículas constituyentes. Con cuatro antinucleones, el antihélio-4 se produce a un ritmo mil veces menor aún. Para identificar los 18 ejemplos fue necesario tamizar los restos  de un mil millones de colisiones de oro. “

Las colisiones de núcleos de oro  dentro de STAR recrean brevemente las condiciones en el universo caliente, denso y temprana sólo millonésimas de segundo después del Big Bang. Dado que cantidades iguales de materia y antimateria se crearon en el Big Bang que deberían haberse aniquilado unos a otros, pero por razones que aún no se entienden, sólo la materia común parece haber sobrevivido. Actualmente,  esta forma comprende toda la materia del universo visible que conocemos.

Alrededor de cantidades iguales de materia y antimateria se producen también en iones pesados ​​(núcleos de oro) de colisiones en el RHIC. Las bolas de fuego resultante se expanden y se enfrían rápidamente, por lo que la antimateria puede evitar la aniquilación lo suficiente como para ser detectados en la Cámara de Proyección Temporal  de STAR.

Los núcleos de los átomos de helio ordinario constan de dos protones y dos neutrones. Llamadas partículas alfa cuando se emiten en desintegraciones radioactivas, fueron descubiertas en esta forma por Ernest Rutherford hace más de un siglo. El núcleo del antihélio-4 (el anti-alfa) contiene dos antiprotones sujetos a dos antineutrones.

Las antipartículas más comunes son generalmente la menos masivas, porque se necesita menos energía para crearlas. Carl Anderson fue el primero en encontrar una antipartícula, el antielectrón (positrón), en restos de  rayos cósmicos en 1932. El antiprotón (el núcleo del antihidrógeno) y el antineutrón fueron creados en el Bevatron del laboratorio de Berkeley en la década de 1950. Los núcleos del antideuteron (“anti-pesados del hidrógeno,” hechos de un antiprotón y un antineutrón) fueron creados en los aceleradores de Brookhaven y el CERN en la década de 1960.

Cada nucleón extra (llamado barión) aumenta el número de partículas de bariones, y en el STAR, las colisiones aumentan el número bariónico y disminuye la tasa de rendimiento aproximadamente un millar de veces. Núcleos de los isótopos del antihélio, con sólo un neutrón (antihélio-3) se han reproducido en los aceleradores desde 1970, el experimento STAR produce muchas de estas antipartículas, que tienen número bariónico 3. El núcleo del antihélio-4, con el número de bariones 4, acaba de ser anunciado por STAR basado en 16 ejemplares identificados en 2010 y dos ejemplos de un ciclo anterior, contiene la mayoría de los nucleones de cualquier antipartícula jamás detectado.

“Es probable que el antihélio sea la anti-partícula más pesada que será vista en un acelerador durante algún tiempo”, dice el  miembro de STAR, Xiangming Sol de NSD del laboratorio de Berkeley. “Después de él, el núcleo siguiente de antimateria estable sería el antilitio, y la tasa de producción de esta partícula en un acelerador se espera que sea más de dos millones de veces menor que el antihélio”.

Maxim Naglis añade, “Encontrar un solo ejemplo de antilitio sería un golpe de suerte, y probablemente requeriría un gran avance en tecnología de aceleradores.”

Si hallar antihélio en un acelerador es raro, y hallar antipartículas más pesadas más raro aún, ¿qué pasa con la búsqueda de estas partículas en el espacio? El Espectrómetro Alfa Magnético (AMS), programado para ser lanzado en una de las últimas misiones del transbordador espacial a la Estación Espacial Internacional, es un instrumento diseñado para hacer precisamente eso. Una parte principal de su misión es la búsqueda de galaxias distantes hecha de antimateria.

“Las colisiones entre  rayos cósmicos cercanos a la Tierra puede producir partículas de antimateria, pero las probabilidades de que estas colisiones produzcan un núcleo intacto de antihélio son tan sumamente pequeñas que el hallazgo de una sola sugeriría que se habría desplazado a la Tierra desde una región distante del universo dominada por la antimateria “, explica Hans Georg Ritter del laboratorio de Berkeley. ”La antimateria no es diferente de la materia ordinaria, pero si el AMS encontrara un solo núcleo de antihélio, supondría  que algunas de las galaxias que vemos estarían hechas de antimateria”.

Mientras tanto, el experimento STAR del RHIC, ha demostrado que la existencia del antihélio es un hecho, y probable  mantenga el récord en encontrar la mayor parte de partículas de antimateria en el futuro.

“La observación de la antimateria de núcleos de helio-4, por los más de 300 miembros de la Colaboración STAR, en representación de 54 instituciones ee 12 países aparece en la edición online de Nature y ArXiv.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE.

Autor: Paul Preuss

Enlace original: Anti-hellium discovered in STAR