Dan Brown, “Ángeles y Demonios,” y las trampas de antimateria en el CERN

La película “Ángeles y Demonios” basada en la novela homónima de Dan Brown utilizó el LHC del CERN como arma publicitaria: Tom Hanks visitó el laboratorio europeo, aunque en la película se utilizó una reconstrucción holliwoodiense. Y en este blog utilicé la película como arma publicitaria: para hablar de los experimentos ALPHA y ATRAP del CERN que en 2008 habían fabricado ya cientos de millones de antihidrógenos (“La verdadera ciencia de la película “Ángeles y Demonios”,” 11 Mayo 2009; y ““Ángeles y demonios” en Nature Physics (anti-spoilers abstenerse de leer),” 18 Junio 2009). Repito el inicio de la primera de estas entradas “A la mayoría de la gente no le interesa la ciencia ni las noticias científicas, salvo cuando se estrena una película que utiliza algo científico como excusa. Entonces, todo el mundo está “mágicamente” interesado en la ciencia de la película y en la posible ciencia “verdadera” detrás de dicha ciencia de película.” ¿Sigue alguien interesado en las trampas de antimateria? ¿Sigue alguien interesado en los experimentos ALPHA y ATRAP?

Aprovecharé la noticia de Eugenie Samuel Reich, “Antimatter held for questioning. Magnetically trapped atoms could test fundamental physics,” News, Nature 468: 355, Published online 17 November 2010, para volver a hablar de estos experimentos. La noticia (un artículo de ALPHA publicado en Nature) fue comentada por muchos medios. Quizás os guste la traducción de Kanijo, del artículo “Antimatter atoms produced and trapped at CERN,” Symmetry Breaking, Nov. 17, 2010, “Se producen y atrapan átomos de antimateria en el CERN,” Ciencia Kanija, Nov. 18, 2010. En portada de Menéame ya apareció la noticia de Europa Press, “CERN: Atrapan por primera vez 38 átomos de antihidrógeno,” Nov. 17, 2010, y volvió a aparecer en portada gracias a Yuri, “38 antihidrogenitos,” La pizarra de Yuri, Nov. 21, 2010. Por supuesto, Yuri lo borda y no puedo hacerlo mejor (recomiendo encarecidamente la lectura de su artículo). Pero bueno, ya que en España estamos de “puente” y yo estoy afónico “encerrado” en casa, creo que merece la pena que le dedique una entrada a ALPHA y los antihidrógenos.

Antes de nada, ¡y el artículo técnico! Lo olvidaba: G. B. Andresen et al., “Trapped antihydrogen,” Nature 468: 673–676, 02 December 2010 (Published online 17 November 2010). Bueno, ya podemos empezar…

Fabricar antimateria “caliente” es fácil, se hace todos los días en los aceleradores de partículas y en los escáneres PET (tomografía por emisión de positrones). Pero fabricar antimatiera “fría” es mucho más difícil, ya que hay que enfriar la antimateria “caliente” y para ello hay que atraparla. La ventaja de la antimateria “fría” es que al estar prácticamente en reposo es fácil estudiar sus propiedades con mucho detalle. Cinco años han necesitado los físicos del experimento ALPHA del CERN para desarrollar una trampa magnética capaz de almacenar “muchos” átomos de antihidrógeno, atrapados uno a uno, durante “mucho” tiempo, aunque no el suficiente para viajar desde Ginebra a Roma (con la tecnología de transporte actual). “Muchos” entre comillas significa 38. “Mucho” entre comillas significa 172 milisegundos. Solo 38, ¡qué poquitos! Bueno para fabricar estos 38 antihidrógenos se han tenido que fabricar previamente 10 millones de antiprotones  y 700 millones de positrones (por cierto, un átomo de antihidrógeno está formado por un antiprotón en su núcleo y un positrón (antielectrón) que lo orbita). Como cualquiera puede comprender, fabricar 10 millones de antiprotones no es barato, pero para eso está ALPHA localizado en el CERN, para utilizar su infraestructura de “ciencia a lo grande.” Más aún, han tenido que repetir el experimento, paso a paso, 335 veces para lograr alcanzar la cifra récord de 38 antihidrógenos almacenados (en el resto de los experimentos se lograron almacenar menos de 38).

Los experimentos ATHENA y ATRAP ya fabricaron miles de átomos de antihidrógeno en 2002, pero estos antiátomos no fueron atrapados por trampas magnéticas, por lo que en pocos milisegundos se aniquilaban con los átomos de las paredes de sus contenedores. En el experimento ALPHA se ha desarrollado una trampa magnética específica y se ha logrado el récord de 38 antihidrógenos almacenados ¿Son suficientes 38 átomos para realizar experimentos espectroscópicos de alta precisión con el antihidrógeno? En realidad, no. Se estima que requieren al menos 100 antihidrógenos almacenados para mejorar las mejores medidas espectroscópicas actuales (obtenidas por otros procedimientos) y comprobar el teorema CPT. ¿Cuándo logrará ALPHA alcanzar este cifra? Supongo, no soy experto, que no tardarán mucho en lograrlo, es decir, uno o dos años. Aún así, con 38 antihidrógenos se pueden hacer muchas cosas. El experimento AEgIS del CERN estudiará el efecto de la gravedad sobre el antihidrógeno y si hay alguna diferencia respecto al hidrógeno convencional.

En la película “Ángeles y Demonios” se fabrican varios miligramos de antimateria que se envían al Vaticano, en Roma, de estraperlo. ¿Cuánto pesan 38 átomos de antihidrógeno? Exactamente lo mismo que 38 átomos de hidrógeno. ¿Cuántos átomos de hidrógeno hay en un miligramo? Hoy por hoy es imposible fabricar un miligramo de antihidrógeno en el CERN y atraparlo en una trampa magnética durante unos días, pero quien sabe si algún día será posible.

5 pensamientos en “Dan Brown, “Ángeles y Demonios,” y las trampas de antimateria en el CERN

  1. Si algún día es posible habrá energía correctamente dosificada por años y años en niveles de ganancia del flujo hoy no imaginables. Pero me han dicho que fabricar un miligramo con la cantidad de núcleos atómicos que este miligramo contiene llevaría miles de años de derroche energético constante, contante y sonante ¿algo que pueda invertir la carga eléctrica de un electrón y un protón y volverlos positrón y antiprotón? Mejor expresado ¿qué es exactamente la carga eléctrica o electromagnética y cómo es que está allí o llegó hasta ahí a causa de las masas, spin y otras variables de esas partículas poseyendo dichas cargas intrínsecas? Gracias por toda amena o didáctica respuesta (las ecuaciones son mi punto débil y ese lenguaje tan necesario en su falta para mí me limita completamente).

  2. La existencia de cargas fraccionarias en el modelo de quarks, complica el panorama, ya que el modelo estándar no aclara porqué las cargas fraccionarias no pueden ser libres. Y sólo pueden ser libres cargas que son múltiplos enteros de la carga elemental.

    O del poder pitagórico de la unicidad en lo entero.

    • Macbeth, la gran pregunta es por qué la carga del electrón y la carga del protón son iguales, siendo el primero una partícula elemental y el segundo una partícula compuesta. Podríamos afirmar que la carga elemental de los quarks down y up es -1 y +2, de tal forma que la carga del protón es +3 (=+2+2-1). La cuestión es por qué la carga del electrón es -3, siendo una partícula tan elemental como los quarks. Por qué están imbricadas las simetrías SU(3) de color y la SU(2) de sabor de tal forma que las cargas de electrón y protón son iguales y opuestas.

      El modelo estándar no aclara esta cuestión. Uno de los objetivos de las teorías de gran unificación, como la fallida SU(5) o SO(10), es aclarar este hecho introduciendo una simetría más grande que explique este hecho gracias a la descomposición SU(3)xSU(2).

  3. Gracias por ordenar un poco la cuestión principal, si el Standard Model muestra alguna inconsistencia ¿se sabe quién o quienes a modo de jóvenes Dirac están estudiando teóricamente el problema ahora mismo? ¿tienen alguna idea de porque la carga electromagnética sea cual fuere su frecuencia y a diferencia de los otros tres elementos masa, tiempo y espacio, posee invariante relativista? La pregunta sigue siendo que hace ahí la carga como onda dentro o fuera de la partícula. Gracias nuevamente (me pondré a leer sobre sabores cuántico-ondulatorios). Felices fiestas.

    • Macbeth, en la époco de Dirac los físicos teóricos en la punta de lanza eran unas decenas en todo el mundo, pero hoy en día se cuentan por decenas de miles; es imposible quienes serán los nuevos Dirac que pongan orden a todos los problemas del modelo estándar.

      ¿Por qué la carga eléctrica está cuantizada y es una propiedad intrínseca para cada partícula? La QED (electrodinámica cuántica) es una teoría gauge que explica este hecho (cualquier libro de teoría cuántica de campos lo explica en detalle). Grosso modo, en la simetría U(1) para la fase de la función de onda, siendo la fase un ángulo, la carga eléctrica equivale a un “número de vueltas” en dicho ángulo y este número de vueltas (positivas o negativas) cumple la simetría U(1) si es un número entero; no cumple la simetría U(1) dar media vuelta o dar pi/3 vueltas; por eso solo hay partículas con un número entero de unidades elementales de carga. Ahora bien, nadie sabe por qué la función de onda de ciertas partículas elementales cumple con las simetrías de la QED (y no otras simetrías diferentes).

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