Els empèdocles moderns – Yuri M. Antipov (1970) i l’element -2 (-He) – antiheli (neganilbi, -Nnb)

Avui sí que pararem aquesta sèrie. De fet no seria justificat de fer aquesta casella, en tant que ningú no ha observat cap indici lligat a un àtom d’antiheli. Però sí que se n’han observat nuclis d’antiheli, i a això ens aferrem. Al capdavall, la IUPAC no s’hi fica en aquest sentit de la taula periòdica. En darrer terme, allò que caracteritza a un àtom és el seu nucli. I cada lliurament en aquesta sèrie es fonamenta en el nombre Z, és a dir en el nombre d’àtoms presents en el nucli. Hi ha una correspondència doncs entre el nombre Z i el conjunt ℤ. De moment, en termes de nuclis podem cobrir les caselles que van de -2 a 118. Però, podríem anar més enllà? En aquesta sèrie hem vist nuclis que resultaven de la combinació de protons i neutrons. Protons i neutrons són barions. Els barions es defineixen com partícules formades per tres quarks. El protó és format per dos quarks up i un quarks down (l’antiprotó seria format per la mateixa combinació, però amb antiquarks). El neutró és format per un quark up i dos quarks down (l’antineutró seria la mateixa combinació, però amb antiquarks). Les càrregues elèctriques respectives de protons i neutrons són determinades per les càrregues d’aquests quarks (+2/3 per als up; -2/3 per als anti-up; -1/3 per als down; +1/3 per als anti-down). Però up i down són únicament els quarks de la primera generació. Els hiperons són un tipus de barió on entra en joc un altre sabor de quark, els strange. En el 1952, Marian Danysz i Jerzy Pniewski van descriure el primer hipernucli. Els hipernuclis tenen un nombre Z determinat pel nombre de protons, i hom els hauria de considerar en la casella corresponent. Per exemple, en el 2011 hom detectà al RHIC de Brookhaven, per primera vegada, un antihipertritó format per un antiprotó (antiup-antiup-antidown), un antineutró (antiup-antidown-antidown) i un antihiperó lambda (antiup-antidown-antistrange), que cauria doncs en la casella -1 de l’antihidrogen. Altrament, els barions són únicament un tipus d’hadró. A banda dels barions (combinacions de tres quarks) existeixen els mesons (combinacions de dos quarks). També hi ha barions exòtics, com els tetraquarks i els pentaquarks. Tècnicament, hiperons, mesons, tetraquarks, pentaquarks, etc., recauen tots en la casella 0, en la mesura que el seu contingut protònic és de 0.

Octet de barions segons la seva composició en quarks up (u), down (d) i strange (s). Un octet similar es pot construir amb antiquarks

Yuri M. Antipov

Entre Protvino i Serpukhov, a l’oblast de Moscou, s’erigí en el 1963, l’Institut de Física d’Alta Energia

En el 1970, un equip d’investigadors de l’Институт физики высоких энергий fou el primer en sintetitzar i detectar nuclis d’antiheli. L’equip era format per Yu. M. Antipov, S. P. Denisov, S. V. Donskov, Yu. P. Gorin, V. A. Kachanov, V. P. Khromov, V. M. Kutyin, L. G. Landsberg, V. G. Lapshin, A. A. Lebedev, A. G. Morozov, A. I. Petrukhin, Yu. D. Prokoshkin, E. A. Razuvaev, V. I. Rykalin, R. S. Shovalov, V. I. Soljanick, D. A. Stoyanova, N. K. Vishnevsky, F. A. Yetch, A. M. Zajtzev i G. D. Zhilchenkova. L’experiment consistia en el bombardament d’una diana d’alumini amb un corrent de protons a 70 GeV. S’analitzaven les partícules negatives emeses. D’un total de 2,4•1011 partícules analitzades, cinc senyals foren atribuïts a nuclis de 3-He, d’acord amb les mesures de càrrega elèctrica i velocitat obtingudes per comptador de cintil•lació i per comptador Čerenkov.

La recerca fou publicada a Nuclear Physics B el setembre del 1971.

Arsenescu et al. (2003) reportaren en el CERN la detecció de nuclis d’antiheli en col•lisions plom-plom, en el marc de l’experiment NA52. Les col•lisions es produïen a 158 A GeV/c. S’examinaren les partícules resultants de càrrega negativa. S’hi detectaren milions d’antiprotons i milers d’antideuterons, així com un total de cinc nuclis de 3-He.

En el 2011, en el marc de la Col•laboració STAR es detectaren per primera vegada nuclis d’antiheli-4. L’experiment consistia en col•lisions or-or, amb energies de 200 GeV i 62 GeV. En total, d’aquest experiment detectaren 18 partícules anti-alfa.

L’antiheli: isòtops i abundància

En termes atòmics, hom no ha aconseguit la síntesi d’antiheli. Però en termes de nuclis s’haurien pogut sintetitzar i detectar:
– nuclis d’antiheli-3, és a dir formats per dos antiprotons i un antineutró.
– nuclis d’antiheli-4, és a dir formats per dos antiprotons i dos antineutrons.

Hom no ha estat capaç de detectar la presència d’àtoms o de nuclis d’antiheli en la radiació còsmica. Així doncs, els únics nuclis d’antiheli coneguts són els que s’han sintetitzat com a rars productes d’interaccions d’alta energia en acceleradors de partícules.

Les possibles aplicacions de l’antimatèria

Les energies utilitzades per a la síntesi de nuclis d’antiheli són massa elevades com per generar àtoms d’antiheli. Ara com ara, doncs, l’interès d’aquestes reaccions és purament bàsic. Ens ajuden a testar els models de nucleosíntesi. Al capdavall, una qüestió oberta en la física és entendre com la bariogènesi de l’univers primitiu generà moltíssima més “matèria” que no pas “antimatèria”.

La producció d’antinuclis és altament costosa. El més accessible de tots, és clar, és l’antiprotó. La taxa de formació de l’antideuteró és 1000 vegades inferior a la de l’antiprotó. I, de manera similar, la taxa de formació de l’antihelió-3 és 1000 vegades inferior a la de l’antideuteró. I novament caiem 1000 vegades quan observem la taxa de formació de l’antihelió-4.

Ara com ara, l’única forma neutra coneguda d’antimatèria és l’antihidrogen, i no s’ha aconseguit reunir en una sola preparació més que alguns centenars d’antiàtoms. Teòricament, emmagatzemar antiheli seria més factible, degut al seu caràcter (relativament) inert. Però en un món de matèria, manegar antimatèria és enormement complex.

Esquema d’una trampa de Penning. F. M. Penning (1894-1953) dissenya la gàbia de buit que després aprofitaria Hans Georg Dehmelt per dissenyar una trampa que permet l’emmagatzematge de partícules carregades. La trampa de Penning es pot utilitzar per a antipartícules carregades

Les trampes de Penning són dispositius per a la contenció de partícules carregades. Per a l’antimatèria neutra, hom podria fer servir trampes atòmiques.

El cost de produir antimatèria és molt elevat. La producció d’1 fg d’antihidrogen atòmic tingué un cost de centenars de milions de francs suïssos. No és estrany, doncs, que hom hagi pensat en alternatives de captació de fonts naturals d’antimatèria. En el 2008, James Bickford escrigué sobre l’extracció d’antipartícules concentrades en camps magnètics planetaris, particularment el cinyells de Van Allen de la Terra i de Júpiter.

En certa manera hi ha una aplicació de l’antimatèria ben estesa com és la tomografia d’emissió de positrons (PET) en medicina diagnòstica per a l’obtenció d’imatges funcionals. En aquest cas, els positrons s’obtenen a partir del fluor-18. La interacció dels positrons emesos amb els electrons, permet resseguir amb el PET processos metabòlics del cos.

Potser l’aplicació que ha fet córrer més tinta és l’ús de l’antimatèria com a combustible o com armament. La densitat energètica de l’antimatèria la fa especialment atractiva en motors de propulsió, i hom l’ha contemplada per a alimentar missions interplanetàries i interestel•lars. S’ha calculat que la reacció d’1 kg d’antimatèria i 1 kg de matèria produiria una quantitat d’energia similar a la produïda per la Bomba Tsar. En reaccions positró-electró, la major part de l’energia seria en forma de radiació gamma. En reacció antiprotó-protó, la major part consistiria en mesons π (pions, formats per un quark i un antiquark), i seria més fàcil conduir-los per generar un impuls. Sigui com sigui, la limitació d’aquesta aplicació és la síntesi assequible i a prou nivell d’antimatèria.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: