A la caza de por que existimos... se dirige hacia un extraordinario fenómeno la desintegración Atómica extraña
Original de Jesse Emspak para Live Science Abril 7, 2017
Un tipo de radiactividad nunca antes vista podría explicar por que la materia, incluyendo los humanos, existen hoy día. Y ahora un equipo de físicos ha lanzado un experimento para hallar el fenómeno excéntrico.
Cuando el Universo se formó por primera vez hace 13,7 miles de millones de años, las teorías actuales dicen que iguales cantidades de materia y su extraño primo la anti-materia, deberían haberse producido durante el Big Bang. Los físicos conocen que cuando las dos entran en contacto, ellas se aniquilan la una con la otra. Si este hubiera sido el caso, nada debería existir excepto fotones y neutrinos. Y aun así, aquí estamos nosotros. Los cálculos muestran que hubo una pequeña cantidad de más materia que de antí-materia — lo suficiente para que las cosas llegaran a existir — pero por que?
Una forma de explicar esta asimetría de materia- antímateria es buscar alguna diferencia entre las dos, además de la carga, que podría explicar la ventaja de la materia. Esta es una gran pregunta de la física contemporánea, debido a que de otra forma la materia y la antimateria debería basada en las teorías comportarse igual que la materia.
Neutrinos Extraños
En un nuevo estudio, los físicos están buscando los así llamados neutrinos de doble desintegración beta sin neutrinos. Normalmente, algunos átomos radiactivos tornan sus núcleos inestables los cuales perderán un neutrón mediante una desintegración beta — un neutrón se transforma en un protón mediante la liberación de un electrón y de una pequeña partícula llamada un electrón antineutrino. Una imagen del espejo puede también ocurrir, en la cual un protón se convierte en un neutrón, liberando u positron y un electrón neutrino — la contraparte al antineutrino de la materia normal. La doble desintegración beta sucede cuando dos electrones y dos antineutrinos (la contraparte de la antimateria a los neutrinos) son liberados básicamente, la doble desintegración beta sucede doblemente. Los científicos han teorizado acerca de la versión de esta desintegración pero sin la liberación de neutrinos — algo que podría sugerir que los dos neutrinos se aniquilan entre sí antes de ser liberados por el átomo. Esencialmente el neutrino se comporta como su propio doble en la antimateria.
(Las partículas de la materia que son sus propias antipartículas son llamados fermiones Majorana{i}, luego de que el físico italiano Ettore Mejorana quien hipotetizó su existencia en 1937.)
Si los neutrinos y antineutrinos se comportan de manera diferente unos de los otros, nos podría ayudar a explicar por que toda la materia no fue aniquilada en el instante en que el Universo se formó.
Detectando la desintegración
La detección de este extraño evento, creo que es muy difícil de hacer, debido a que hay mucho “ruido” en el fondo, según declaró Bernhard Schwingenheuer, portavoz del Arreglo detector GERmanium (GERDA- GERmanium Detector Array). Ese “ruido” de fondo proviene en gran medida de los rayos cósmicos.
En el experimento, los físicos han tenido en cuenta el ruido de fondo, mayormente causado por los rayos cósmicos. De modo que ellos cubrieron las paredes interiores del tanque de agua rodeada por argón líquido con una lamina reflectante para mejorar la detección de luz y así permitir la identificación de los muones cósmicos (formados cuando los rayos cósmicos interactúan con la atmósfera de la tierra). Crédito de la imagen: K. Freund/GERDA collaboration
De modo que los físicos se dirigieron al GERDA. Anidado bajo tierra en Italia, el experimento GERDA consiste en detectores en un baño de argón líquido que está enriquecido con isotopos de germanio-76, el cual es suavemente radiactivo. Y que tiene una vida media de 1,78 x 10ˆ21 años (o 14780.00030002000.0001000.000 1,78 cuatrillones de años) — queriendo significar que esto le toma a la mitad de los átomos presentes de germanio convertirse en selenio, lo cual son muchos ordenes de magnitud más tiempo que la edad del Universo 14 mil millones de años.
Normalmente, el germanio emitirá dos electrones y dos electrones atineutrinos — el proceso normal de la doble desintegración beta — cuando este se transforma mediante su lenta desintegración. Los físicos querían ver si esto si esto siempre sucedía sin la liberación de neutrinos: la largamente buscada doble desintegración beta sin neutrinos.
Con una vida media tan larga, uno podría pensar que le tomará demasiado tiempo lograr ver que esto suceda, pero la vida media es un fenómeno probabilístico. Esta es la razón por la cual el experimento usó unas 84 libras de germanio mezcladas con argón líquido: que produce cerca de 4,5 x 10ˆ25 (o 454000.0003000.0002000.0001000.000 45 cuatrillones) de átomos, lo cual quiere decir que algunos de ellos padecerán la desintegración mientas los científicos los están observando.
El equipo de GERDA reunió la información por cerca de siete meses, desde Diciembre del 2015 hasta Junio de 2016. Ellos no hallaron la desintegración, pero ellos no podían poner un limite menor acerca de como la desintegración sucede: Este tiene una vida media de 5,3 x 10ˆ25 años (534000.0003000.0002000.0001000.000) lo cual quiere decir que usted tiene una probabilidad de 50-50 de ver a un solo átomo hacerlo en esta cantidad de tiempo.
Extendiendo el Modelo Estándar
Si ellos lo hallan, esto podría significar que los neutrinos son su propia antipartícula, como los fotones — l desintegración sin neutrinos no podría suceder a menos que este fuera el caso. Esto también quiere decir que este tipo de desintegración radiactiva no es simétrica. Recordemos que la desintegración beta tiene su imagen en el espejo — tanto electrones y antineutrinos o positrones y neutrinos son emitidos, Si la doble desintegración beta no es simétrica, quiere decir que los neutrinos y antineutrino se comportan diferentemente. Esto no sucede con los otros tipos de pares de partículas-antipartículas, como todos sabemos.
Este fenómeno podría afectar el Modelo Estándar, el cual ha sido ampliamente exitoso en su forma de describir la física de partículas, pero este está claramente incompleto. El modelo predijo la existencia de la partícula del bosón de Higgs. Sin embargo, Schwingenheuer advirtió de que no hay evidencias de que los neutrinos tienen una masa diminuta (solo descubierta en 1998, con lo cual se obtuvo el premio Nobel en 2015) y de que la materia obscura exista — indicando que el Modelo Estándar no tiene la última palabra.
“Si la doble desintegración beta sin neutrinos es observada, esto ayudará a resolver un par de problemas,” dijo Philip Barbeau un profesor asistente de física en la Duke University en un correo electrónico dirigido a Live Science. “En primer lugar ayudaría a explicar la asimetría entre materia y antimateria en el Universo. Esta también ayudaría a explicar por que la masa de los neutrinos es tan sorprendentemente pequeña. Nosotros también obtendríamos una idea de la masa del neutrino y al mismo tiempo su índice de desintegración que esta relacionada con la escala de masa de los neutrinos.”
El interrogante es que tipo de física subyace detrás de todo ello. Los experimentos de GERDA no han aun revelado tal desintegración que los investigadores están buscando, pero esto no quiere decir que no lo puedan hacer en el futuro, dijo Schwingenheuer. Y podría ser difícil controlarlo enteramente, debido a que las escalas de tiempo son justamente más grandes que lo que ellos creen. Ahora, ellos han dispuesto limites inferiores acerca de la vida media para la desintegración, pero experimentos posteriores continúan y podrían empujar los limites hacía arriba.
Continuando en la búsqueda de este evento, si ellos no ven esta extraña desintegración luego de muchos experimentos, Barbeau dijo que no podría ser la bifurcación que lleve a modelos nuevos. “No regresaremos a nuestros tableros a trazar nuevos puntos de vista de las teorías que los respaldan. Solo no sabemos si los neutrinos son Mejorana o no.”
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{i} En física de partículas, un fermión de Majorana es un fermión que es su propia antipartícula. No se conocen fermiones elementales con su propia antipartícula, pero en física de la materia condensada han sido descubiertos hace mucho los fermiones de Majorana como cuasipartículas o en superconductores (formando una dupla con o sin acoplamiento spin-orbital).
Los fermiones de Majorana no se habían podido observar en la naturaleza. En la universidad de Delf el físico Leo Kouwehoven logró observar estos ferminones de Majorana por medio de nano fibras. En 1937 Ettore Majorana declaró su existencia pero no le fue posible su demostración. Esta, sin embargo, fue demostrada en el año 2012. En octubre de 2014 un equipo de Princeton publicó un estudio en la revista Science donde demuestran su existencia por medio de detección directa, en un experimento controlado con materiales superconductores y observado con un microscopio de efecto túnel, que permite ver un material a nivel atómico. Los investigadores tomaron una finísima tira de hierro de un átomo de ancho y la enfriaron hasta rozar el cero absoluto (-273 grados). Fue entonces cuando, a cada extremo de la cadena, aparecieron los esquivos fermiones de Majorana²
Original de Jesse Emspak para Live Science Abril 7, 2017
Un tipo de radiactividad nunca antes vista podría explicar por que la materia, incluyendo los humanos, existen hoy día. Y ahora un equipo de físicos ha lanzado un experimento para hallar el fenómeno excéntrico.
Cuando el Universo se formó por primera vez hace 13,7 miles de millones de años, las teorías actuales dicen que iguales cantidades de materia y su extraño primo la anti-materia, deberían haberse producido durante el Big Bang. Los físicos conocen que cuando las dos entran en contacto, ellas se aniquilan la una con la otra. Si este hubiera sido el caso, nada debería existir excepto fotones y neutrinos. Y aun así, aquí estamos nosotros. Los cálculos muestran que hubo una pequeña cantidad de más materia que de antí-materia — lo suficiente para que las cosas llegaran a existir — pero por que?
Una forma de explicar esta asimetría de materia- antímateria es buscar alguna diferencia entre las dos, además de la carga, que podría explicar la ventaja de la materia. Esta es una gran pregunta de la física contemporánea, debido a que de otra forma la materia y la antimateria debería basada en las teorías comportarse igual que la materia.
Neutrinos Extraños
En un nuevo estudio, los físicos están buscando los así llamados neutrinos de doble desintegración beta sin neutrinos. Normalmente, algunos átomos radiactivos tornan sus núcleos inestables los cuales perderán un neutrón mediante una desintegración beta — un neutrón se transforma en un protón mediante la liberación de un electrón y de una pequeña partícula llamada un electrón antineutrino. Una imagen del espejo puede también ocurrir, en la cual un protón se convierte en un neutrón, liberando u positron y un electrón neutrino — la contraparte al antineutrino de la materia normal. La doble desintegración beta sucede cuando dos electrones y dos antineutrinos (la contraparte de la antimateria a los neutrinos) son liberados básicamente, la doble desintegración beta sucede doblemente. Los científicos han teorizado acerca de la versión de esta desintegración pero sin la liberación de neutrinos — algo que podría sugerir que los dos neutrinos se aniquilan entre sí antes de ser liberados por el átomo. Esencialmente el neutrino se comporta como su propio doble en la antimateria.
(Las partículas de la materia que son sus propias antipartículas son llamados fermiones Majorana{i}, luego de que el físico italiano Ettore Mejorana quien hipotetizó su existencia en 1937.)
Si los neutrinos y antineutrinos se comportan de manera diferente unos de los otros, nos podría ayudar a explicar por que toda la materia no fue aniquilada en el instante en que el Universo se formó.
Detectando la desintegración
La detección de este extraño evento, creo que es muy difícil de hacer, debido a que hay mucho “ruido” en el fondo, según declaró Bernhard Schwingenheuer, portavoz del Arreglo detector GERmanium (GERDA- GERmanium Detector Array). Ese “ruido” de fondo proviene en gran medida de los rayos cósmicos.
En el experimento, los físicos han tenido en cuenta el ruido de fondo, mayormente causado por los rayos cósmicos. De modo que ellos cubrieron las paredes interiores del tanque de agua rodeada por argón líquido con una lamina reflectante para mejorar la detección de luz y así permitir la identificación de los muones cósmicos (formados cuando los rayos cósmicos interactúan con la atmósfera de la tierra). Crédito de la imagen: K. Freund/GERDA collaboration
De modo que los físicos se dirigieron al GERDA. Anidado bajo tierra en Italia, el experimento GERDA consiste en detectores en un baño de argón líquido que está enriquecido con isotopos de germanio-76, el cual es suavemente radiactivo. Y que tiene una vida media de 1,78 x 10ˆ21 años (o 14780.00030002000.0001000.000 1,78 cuatrillones de años) — queriendo significar que esto le toma a la mitad de los átomos presentes de germanio convertirse en selenio, lo cual son muchos ordenes de magnitud más tiempo que la edad del Universo 14 mil millones de años.
Normalmente, el germanio emitirá dos electrones y dos electrones atineutrinos — el proceso normal de la doble desintegración beta — cuando este se transforma mediante su lenta desintegración. Los físicos querían ver si esto si esto siempre sucedía sin la liberación de neutrinos: la largamente buscada doble desintegración beta sin neutrinos.
Con una vida media tan larga, uno podría pensar que le tomará demasiado tiempo lograr ver que esto suceda, pero la vida media es un fenómeno probabilístico. Esta es la razón por la cual el experimento usó unas 84 libras de germanio mezcladas con argón líquido: que produce cerca de 4,5 x 10ˆ25 (o 454000.0003000.0002000.0001000.000 45 cuatrillones) de átomos, lo cual quiere decir que algunos de ellos padecerán la desintegración mientas los científicos los están observando.
El equipo de GERDA reunió la información por cerca de siete meses, desde Diciembre del 2015 hasta Junio de 2016. Ellos no hallaron la desintegración, pero ellos no podían poner un limite menor acerca de como la desintegración sucede: Este tiene una vida media de 5,3 x 10ˆ25 años (534000.0003000.0002000.0001000.000) lo cual quiere decir que usted tiene una probabilidad de 50-50 de ver a un solo átomo hacerlo en esta cantidad de tiempo.
Extendiendo el Modelo Estándar
Si ellos lo hallan, esto podría significar que los neutrinos son su propia antipartícula, como los fotones — l desintegración sin neutrinos no podría suceder a menos que este fuera el caso. Esto también quiere decir que este tipo de desintegración radiactiva no es simétrica. Recordemos que la desintegración beta tiene su imagen en el espejo — tanto electrones y antineutrinos o positrones y neutrinos son emitidos, Si la doble desintegración beta no es simétrica, quiere decir que los neutrinos y antineutrino se comportan diferentemente. Esto no sucede con los otros tipos de pares de partículas-antipartículas, como todos sabemos.
Este fenómeno podría afectar el Modelo Estándar, el cual ha sido ampliamente exitoso en su forma de describir la física de partículas, pero este está claramente incompleto. El modelo predijo la existencia de la partícula del bosón de Higgs. Sin embargo, Schwingenheuer advirtió de que no hay evidencias de que los neutrinos tienen una masa diminuta (solo descubierta en 1998, con lo cual se obtuvo el premio Nobel en 2015) y de que la materia obscura exista — indicando que el Modelo Estándar no tiene la última palabra.
“Si la doble desintegración beta sin neutrinos es observada, esto ayudará a resolver un par de problemas,” dijo Philip Barbeau un profesor asistente de física en la Duke University en un correo electrónico dirigido a Live Science. “En primer lugar ayudaría a explicar la asimetría entre materia y antimateria en el Universo. Esta también ayudaría a explicar por que la masa de los neutrinos es tan sorprendentemente pequeña. Nosotros también obtendríamos una idea de la masa del neutrino y al mismo tiempo su índice de desintegración que esta relacionada con la escala de masa de los neutrinos.”
El interrogante es que tipo de física subyace detrás de todo ello. Los experimentos de GERDA no han aun revelado tal desintegración que los investigadores están buscando, pero esto no quiere decir que no lo puedan hacer en el futuro, dijo Schwingenheuer. Y podría ser difícil controlarlo enteramente, debido a que las escalas de tiempo son justamente más grandes que lo que ellos creen. Ahora, ellos han dispuesto limites inferiores acerca de la vida media para la desintegración, pero experimentos posteriores continúan y podrían empujar los limites hacía arriba.
Continuando en la búsqueda de este evento, si ellos no ven esta extraña desintegración luego de muchos experimentos, Barbeau dijo que no podría ser la bifurcación que lleve a modelos nuevos. “No regresaremos a nuestros tableros a trazar nuevos puntos de vista de las teorías que los respaldan. Solo no sabemos si los neutrinos son Mejorana o no.”
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{i} En física de partículas, un fermión de Majorana es un fermión que es su propia antipartícula. No se conocen fermiones elementales con su propia antipartícula, pero en física de la materia condensada han sido descubiertos hace mucho los fermiones de Majorana como cuasipartículas o en superconductores (formando una dupla con o sin acoplamiento spin-orbital).
Los fermiones de Majorana no se habían podido observar en la naturaleza. En la universidad de Delf el físico Leo Kouwehoven logró observar estos ferminones de Majorana por medio de nano fibras. En 1937 Ettore Majorana declaró su existencia pero no le fue posible su demostración. Esta, sin embargo, fue demostrada en el año 2012. En octubre de 2014 un equipo de Princeton publicó un estudio en la revista Science donde demuestran su existencia por medio de detección directa, en un experimento controlado con materiales superconductores y observado con un microscopio de efecto túnel, que permite ver un material a nivel atómico. Los investigadores tomaron una finísima tira de hierro de un átomo de ancho y la enfriaron hasta rozar el cero absoluto (-273 grados). Fue entonces cuando, a cada extremo de la cadena, aparecieron los esquivos fermiones de Majorana²