Els empèdocles moderns – Walter Oelert (1995) i l’element -1 (-H) – antihidrogen (neganilniluni, -Nnu)

En principi no hauríem de fer cap més afegit a la sèrie dels “Empèdocles moderns” fins que la IUPAC no adopti nom i símbol definitius per als elements 113, 115, 117 i 118, o bé confirmi la síntesi, encara no reclamada però sí intentada, de l’element 120 o del 119. Bàsicament es tractaria de seguir la taula periòdica dels elements d ela IUPAC. Ara bé, ja ens vam apartar de bell antuvi en dedicar la primera entrada a l’element 0. Si Z=0 per aquells nuclis atòmics o per aquells àtoms en els quals no hi ha cap protó, tindrem valors de Zen dues lletres a Nature del 1898, subtitulades “A Holiday Dream”. L’antimatèria de Schuster, també anomenada “matèria potencial” o “matèria negativa”, de fet ja havia estat teoritzada per William Hicks i Karl Pearson pocs anys abans en el marc de la teoria gravitatòria dels vòrtex, la qual al seu torn remunta als intents de René Descartes de superar l’horror filosòfic d’una acció gravitatòria a distància. En el 1928, Paul Dirac publicava una teoria quàntica de l’electró que introduïa la relativitat general en l’equació d’ona de Schrödinger. Les dues solucions possibles de l’equació de Dirac convidaven a pensar que, a banda de l’electró de càrrega elèctrica negativa hi hauria d’haver l’electró de càrrega elèctrica positiva, és a dir l’antielectró. L’extensió d’aquest principi convidava a pensar també en antiprotons i, per tant, en antiàtoms. En el 1929, Charles Janet que ja havia publicat una taula periòdica amb l’element 0, la va començar a estendre als hipotètics elements negatius. La confirmació del neutró, en el 1932, va poder fonamentar la casella 0. A nosaltres ens toca veure ara si és fonamentada la casella -1.

Fotografia d’una cambra de boira o cambra vertical de Wilson obtinguda el 2 d’agost del 1932 per Carl D. Anderson en el decurs del seu experiment per detectar “antielectrons” o “electrons positius” en la radiació còsmica. Aquestes partícules havien estat predites per l’equació de Dirac del 1928. En el centre de la imatge veiem una placa de plom de 6 mm de gruix. Les dues línies es corresponen a la trajectòria d’entrada i de sortida del positró. Anderson publicà la imatge en el seu article a Physical Review. En el decurs del seu estudi, Anderson examinà 1300 fotografies de partícules de raigs còsmics, de les quals 15 es corresponien a partícules positives de masses de diversos ordres de magnitud inferiors a la del protó. Aquestes partícules positives de baixa massa presentaven càrregues positives similars a la del protó. Anderson concloïa correctament que aquests “electrons positius” eren partícules secundàries ejectades de nuclis atòmics per l’acció dels raigs còsmics.

Walter Oelert i la descoberta de l’antihidrogen

Walter Oelert

Walter Oelert va nàixer a Dortmund el 14 de juliol del 1942, però va créixer fonamentalment a Hamburg, on començà el seus estudis universitaris en física. Va fer part de la carrera a Heidelberg, però tornà a Hamburg per diplomar-se (1969).

Va fer la tesi doctoral a Hamburg sobre les reaccions protó-tritó en isòtops de samari, defensada reeixidament en el 1973. Féu una estada post-doctoral a la Universitat de Pttisburgh (1973-1976). En retornar a Alemanya s’incorporà al Centre de Recerca de Jülich. Treballà en el sincrotró refrigerat COSY, en investigacions sobre física d’hadrons.

Des del 1985 inicià una participació més intensa en el Centre Europeu de Recerca Nuclear (CERN), en el Circuit d’Antiprotons de Baixa Energia (LEAR). En el 1987 s’habilità a la Ruhr-Universität Bochum amb un treball sobre l’estructura i mecanismes de reacció de les transicions de partícules alfa.

Edwin McMillan i Edward Lofgren retratats en el Bevatró. Fou en aquest sincrotró, en el 1955, que Emilio Segré i Owen Chamberlain detectaren per primera vegada l’antiprotó

L’existència dels antiprotons també havia estat deduïda en darrer terme de l’equació de Dirac (1928). No obstant, no fou possible detectar-los en la natura malgrat els estudis fets sobre raigs còsmics. La primera evidència experimental sobre els antiprotons no arribà fins el 1955, de la mà d’Emilio Segré i Owen Chamberlain. Segré i Chamberlain utilitzaren el sincrotró de bilions d’electronvolts, el Bevatró, que havia entrat en funcionament al Laboratori de Radiació de Berkeley en el 1954. L’experiment requerí l’ús d’un corrent de protons de 6,2 GeV, aconseguit a través d’un magnet de ferro de 10.000 tones.

També en el Bevatró, en el 1956, el grup d’en Bruce Cork detectà per primera vegada l’antineutró. La detecció de l’antineutró, és clar, oferia algunes dificultats addicionals a les de l’antielectró i l’antipositró. Ni el neutró ni l’antineutró no tenen càrrega elèctrica neta, de manera que difereixen exclusivament en altres propietats (moment magnètic, nombre bariònic).

En el 1965, el grup de recerca d’Antonino Zichichi, en el Sincrotró de Protons del CERN, a Meyrin (Ginebra), reportà la producció d’antideuterons, és a dir d’antinuclis formats per un antiprotó i un antineutró. Dorfan et al. (1965) també reportaren poc després l’observació d’antideuterons en el Sincrotró de Gradients Alternants del Laboratori Nacional de Brookhaven, a Long Island.

Els experiments de síntesi d’antinuclis, formats per combinacions d’antiprotons i d’antineutrons, es feien a energies massa elevades com perquè s’hi poguessin formar veritables antiàtoms. La síntesi d’antihidrogens era una de les finalitats de l’experiment PS210, la direcció del qual va recaure en Walter Oelert i en Mario Macri.

L’experiment s’havia de realitzar en el LEAR que, des del 1982, s’havia utilitzat en experiments de desacceleració i emmagatzematge d’antiprotons, i amb els quals hom havia realitzat estudis sobre les propietats bàsiques de l’antimatèria. L’experiment PS210 bombardava antiprotons sobre cúmuls de xenó. Com a conseqüència de l’impacte es formaven parelles d’electró-antielectró (o negatró-positró). La probabilitat que un antiprotó capturés un antielectró era baixa (10-19) però fou suficient com perquè Oelert et al reportessin un mínim de nou àtoms d’antihidrogen.

En el Fermilab reproduïren l’experiment, i aconseguiren la síntesi d’un centenar d’àtoms d’antihidrogen. L’existència de l’element -1, segons el criteri atòmic, era acomplerta. No obstant, la IUPAC no el reconeix com a element diferent de l’hidrogen.

Oelert començà a fer docència en física elemental i de partícules a la Universitat de Bochum en el 1997. Alhora s’implicà en la transformació del LEAR en el Desaccelerador d’Antiprotons, i en la col•laboració ATRAP, que cercava la producció d’antihidrogen a energies prou baixes com per fer-hi estudis precisos d’espectroscòpia làser. En l’ATRAP participaven, a més del Forschungszentrum Jülich, la Harvard University, la York University i la Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

L’ATRAP treballava fonamentalment en el Desaccelerador d’Antiprotons. També ho feia allàla col•laboració ATHENA, més àmplia i que cercava, amb altres estratègies, el mateix objectiu. En el 1999, el Desaccelerador d’Antiprotons entrava en funcionament i aconsegueixi baixar d’energies de 3500 MeV a 5,3 MeV.

L’experiment ATHENA aconseguí la producció i detecció d’àtoms d’antihidrogen fred (Amoretti et al., 2002), però l’ATRAP també va reeixir pocs mesos després (Gabrielse et al., 2002).

Oelert, en esdevindre professor emèrit de Bochum, passà a col•laborar amb l’Institut de Física de la Universitat de Mainz.

L’experiment ALPHA (aparell de física de làser amb antihidrogen), en el Desaccelerador d’Antiprotons del CERN, va aconseguir en el 2011 el confinament perllongat (fins a 1000 segons) de 309 àtoms d’antihidrogen.

En el 2016, s’ha acomplert la construcció del nou desaccelerador del CERN, l’ELENA, que pot aconseguir desacceleracions d’antiprotons fins a 90 keV. L’objectiu de l’experiment és fer servir els antiprotons desaccelerats i atrapats per a recombinar-los amb positrons i fer estudis espectroscòpics d’àtoms d’antihidrogen en repòs.

L’antihidrogen: isòtops i abundància

En termes atòmics, hom ha aconseguit únicament la síntesi d’antiproti (1-H), és a dir de l’antiàtom més simple de tots, el format per un antiprotó i un antielectró (=positró).

Pel que fa a l’antideuteri, únicament s’ha aconseguit la síntesi del nucli respectiu, l’antideuteró, que consisteix en un antiprotó i un antineutró.

De l’antitriti, no s’ha reportat ni tan sols la síntesi de l’antitritó (un antiprotó i dos antineutrons).

Pel que sabem, l’únic antihidrogen existent a la natura seria el produït en les investigacions referides en els darrers vint anys.

Sí que hom ha detectat en raigs còsmics la presència d’antiprotons. Les primeres deteccions es van fer a començament dels anys 1990 amb els globus del projecte BESS. Els antiprotons es generen en el medi interestel•lar a partir de la col•lisió de protons de raigs còsmics amb nuclis atòmics. Aquests antiprotons secundaris s’anihilen en cas de col•lisió amb un protó, però altrament són partícules intrínsecament estables (amb semivides no pas inferiors a 1-10 milions d’anys).

Les propietats fonamentals de l’antimatèria

Fins i tot amb les taxes que promet l’experiment ELENA, caldrien diversos milers d’anys per aconseguir la síntesi confinada d’un gram d’antimatèria en forma d’antihidrogen. En qualsevol cas, els avenços en la síntesi i estudi d’antihidrogen en aquests vint anys són, malgrat tot, considerables.

La recerca bàsica en antimatèria neutra (és a dir, a efectes pràctics, en antihidrogen) contribueix al nostre coneixement sobre les propietats fonamentals de l’univers.

És coneguda l’anomenada interpretació Feynman-Stueckelberg segons la qual les antipartícules són partícules que viatgen en el temps en sentit invers. Si les partícules es mouen cap al futur, les antipartícules ho fan cap al passat.

Una conseqüència de la interpretació Feynman-Stueckelberg seria que la interacció gravitatòria entre la matèria i l’antimatèria seria de caràcter repulsiu. Ara com ara no podem resoldre com interactua gravitatòriament l’antimatèria. Els pocs centenars d’àtoms d’antihidrogen confinats durant uns pocs minuts en experiments com ALPHA o ATRAP ens diuen poca cosa.

Existeixen tres hipòtesis quant a aquesta interacció gravitatòria:
– la hipòtesi estàndard assum que gravitatòriament matèria i antimatèria són idèntiques.
– la hipòtesi de l’antigravetat assum que l’antimatèria i la matèria es repelen amb mateixa força que s’atreu la matèria a ella mateixa.
– una tercera hipòtesi contempla que l’antimatèria podria reaccionar gravitatòriament a escales diferents a les de la matèria.

La qüestió de la interacció gravitatòria de l’antimatèria és important per a l’anomenat teorema CPT, que proposa la simetria en cas de reversió de càrrega, paritat i temps per a fenòmens físics. Un univers fet d’antimatèria (reversió de càrrega) seria equivalent al nostre univers fet de matèria si hi haguessin reversions simultànies de paritat i temps.

Tot i que en el nostre univers, la matèria domina clarament sobre l’antimatèria, hi ha una generació continuada d’antipartícules com a resultat de col•lisions. Les antipartícules s’anihilen eventualment amb partícules homòlogues, amb l’emissió resultant d’energia electromagnètica en forma de raigs gamma. L’estudi de les emissions de raigs X i de raigs gamma, doncs, permeten identificar la taxa de formació, manteniment i anihilació d’antipartícules.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: