Ciencia explicada en 60 segundos

Ciencia explicada en 60 segundos 

Las fábricas de mesones B son máquinas científicas que exploran las condiciones del universo a edades muy tempranas, creando y analizando un gran número de mesones B, partículas que contienen un quark b. Uno de los objetivos de las fábricas de mesones B es explorar las diferencias entre los mesones B y sus antipartículas con el objetivo de entender por qué el universo está dominado por la materia.



Una fábrica de mesones B está formada básicamente por tres partes: un colisionador de partículas que produce un gran número de mesones B; un detector para observar la desintegración de dichos mesones; y una colaboración internacional de físicos e ingenieros. Dos ejemplos son el colisionador PEP-II con el detector BaBar en el centro del acelerador lineal de Stanford (SLAC en inglés), y el colisionador KEKB y su detector, Belle, en Japón.

La tasa e intensidad de colisiones electrón-positrón en BaBar y Belle genera centenares de millones de mesones B cada año. Cada segundo de operación, las fábricas analizan millones de colisiones para identificar eficientemente los pocos centenares de eventos de interés. Cada fábrica produce más de 700 cd’s de datos (aprox. 0,5 terabytes) para analizar por día. Explorando el mundo microscópico, las fábricas de mesones B revelan cómo era el universo poco después del Big Bang.






El positrón es la antipartícula del electrón. Tiene exactamente la misma masa que el electrón, pero con carga eléctrica opuesta. Alejado de la materia, puede existir para siempre, pero cuando un positrón se encuentra con un electrón, las dos partículas se aniquilan, produciendo energía. El físico teórico Paul Dirac predijo la existencia de los positrones y de otras antipartículas en 1928.

Combinando la descripción clásica del movimiento del electrón con las nuevas teorías de la mecánica cuántica y de la relatividad especial, Dirac encontró una sorprendente solución a sus ecuaciones: un electrón moviéndose con energía negativa, que es imposible en la física clásica. Dirac interpretó su resultado como una antipartícula moviéndose con energía positiva.

Cuatro años más tarde, el físico Carl Anderson observó en un experimento en una cámara de niebla el positrón predicho por Dirac. Por sus descubrimientos, Dirac y Anderson recibieron el premio Nobel.



Hoy en día, los positrones tienen numerosas aplicaciones en la física de partículas y en técnicas de imagen médica. Los científicos pueden “invertir” el proceso de aniquilación y crear un gran número de positrones, bombardeando por ejemplo un trozo de metal con un intenso haz de electrones. Otra fuente de positrones son algunos isótopos radioactios como el carbono-11. Los hospitales usan aceleradores para producir estos isótopos de corta vida media y los usan como traza en la tomografía por emisión de positrones (siglas PET en inglés). La técnica PET permite la visualización de procesos biológicos y sistemas como el flujo sanguíneo, el metabolismo, y los receptores neuronales.





Las lentes gravitatorias son una herramienta útil para los cosmólogos modernos: los cuerpos masivos curvan la trayectoria de la luz, enfocándola hacia el observador, lo que provoca que objetos lejanos aparezcan aumentados y distorsionados, o incluso múltiples imágenes del mismo objeto.

La teoría de la relatividad general de Einstein nos dice cómo los rayos de luz se ven afectados por el espacio curvo alrededor de una galaxia o de un cúmulo de galaxias actuando como una lente. Es interesante el hecho de que el efecto de lente es mayor que el esperado para la cantidad de masa que se observa. Este hecho corrobora la idea de que el constituyente principal de las galaxias y los cúmulos es la materia oscura, que no emite radiación electromagnética.



La densidad de una galaxia aumenta hacia el centro, como el espesor de la base de una copa de vino. De hecho, una copa de vino es un buen modelo de lente gravitatoria: observa una fuente de luz al otro lado de la base desde arriba para ver el efecto. Viendo cómo distorsiona la luz, es posible averiguar la forma y el espesor de la base.

Del mismo modo, observando galaxias distantes a través de lentes gravitatorias, podemos averiguar cómo está distribuida la materia oscura transparente en torno a dichas lentes. Las lentes gravitatorias puede que no nos digan qué es la materia oscura, pero nos indican hacia dónde mirar.





La antimateria está hecha de partículas con características opuestas a las de las partículas de materia usuales. Considera esta analogía: cava un agujero, y haz una colina con la tierra excavada. El agujero y la colina tienen características opuestas – el volumen de la tierra en la colina y el del agujero de donde se ha sacado la tierra. Para las partículas, propiedades como la carga eléctrica, son opuestas a las de sus antipartículas – una positiva y la otra de la misma magnitud, pero negativa. También, la antimateria aniquilará a la materia en una explosión de energía, así como la colina llena el agujero, desapareciendo así ambos.



Parece que el universo no contiene cantidades significantes de antimateria, a pesar de que deberían haber sido creada en cantidades iguales a la materia durante el big bang. Entonces, ¿dónde ha ido a parar toda la antimateria? Una posible explicación podría ser una ligera diferencia en las propiedades de la materia y la antimateria, llevando a un ligero exceso de materia que sobrevivió al cataclismo inicial de aniquilación de materia y antimateria.

Experimentadores en el CERN, Fermilab, SLAC y KEK estan produciendo antimateria en aceleradores de partículas para buscar y estudiar esta diferencia. La antimateria tiene tambien aplicaciones médicas en la vida real, como la tomografía por emisión de positrones. Pero, como producir antimateria incluso en cantidades minúsculas es muy difícil, nunca podrá ser el combustible de una futura nave interestelar.





¿Son las leyes de la naturaleza las mismas para la materia y la antimateria? Los físicos usan el término “CP” (carga y paridad) para hablar de la simetría entre materia y antimateria. Si la naturaleza tratase de la misma forma a la materia y a la antimateria, la naturaleza tendría sería simétrica respecto a CP. Si no, la naturaleza viola la simetría CP.



Se ha observado que la fuerza nuclear débil, responsable de la desintegración de las partículas, viola CP. Y sin embargo, la violación de CP plantea un misterio.

El Big Bang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria, que se aniquila produciendo energía. Y sin embargo, el universo observable tiene cerca de diez mil millones de galaxias de materia (protones, neutrones y electrones) y sin antimateria (antiprotones, antineutrones y positrones respectivamente). Inmediatamente despues del big bang, algunas fuerzas deberían haber causado la violación CP que desvió el equilibrio entre la cantidad de materia y de antimateria, dejando más materia.

La fuerza nuclear débil por sí misma puede explicar una pequeña cantidad de la violación CP, pero no es suficiente para dejar materia ni siquiera para una galaxia. Algunas otras fuerzas del modelo estándar tienen que haber sido responsables del exceso de violación CP que llevó al universo que observamos. Los experimentos que en aceleradores de partículas buscan las fuentes de la violación CP que produce el universo de materia que observamos.

Suerte y Gracias por pasar, un buen comentario siempre es bien apreciado