Antihidrógeno para niños
En el mundo de la física, el antihidrógeno es como el "gemelo" del hidrógeno común, pero hecho de antimateria. Imagina que es un átomo, pero con sus partes eléctricas al revés. Está formado por un antiprotón (que es como un protón, pero con carga negativa) y un positrón (que es como un electrón, pero con carga positiva). Por eso, tiene las mismas características que el hidrógeno, ¡pero con las cargas eléctricas invertidas!
Su símbolo químico es una H con una línea encima, así: H.
Cuando un átomo de antihidrógeno se encuentra con un átomo de hidrógeno normal, se "aniquilan" mutuamente. Esto significa que desaparecen y liberan energía en forma de fotones de luz. Por eso, son muy inestables cuando están juntos. Un científico llamado Robert L. Forward fue uno de los primeros en hablar de esto en una revista científica.
Contenido
¿Cómo se descubrió el antihidrógeno?
Primeros pasos en la creación de antihidrógeno
En 1995, un gran laboratorio de física llamado CERN anunció algo emocionante: habían logrado crear nueve átomos de antihidrógeno. Esto fue parte de un experimento llamado PS210, dirigido por los científicos Walter Oelert y Mario Macri. El método que usaron para crearlos había sido propuesto un año antes por Charles Munger Jr., Stanley J. Brodsky e Ivan Schmidt Andrade.
Poco después, otros experimentos en un laboratorio llamado Fermilab confirmaron este logro. Luego, se anunció la creación de otros 100 átomos de antihidrógeno. Para hacerlos, combinaron un antielectrón y un antiprotón dentro de un acelerador de partículas. Los enfriaron muchísimo, casi hasta el cero absoluto, para que se movieran muy lento. Luego, los mantuvieron atrapados con campos magnéticos para que no chocaran con átomos normales y se aniquilaran.
Avances importantes en la producción de antihidrógeno
En 2002, el antihidrógeno fue producido por primera vez por un proyecto de investigación llamado ATHENA, en el CERN. Después, otro grupo llamado ATRAP también lo logró. Para el año 2004, ¡ya se habían fabricado millones de átomos de antihidrógeno! Sin embargo, estos átomos estaban bastante "calientes" (tenían mucha energía), lo que hacía que chocaran con las paredes de los aparatos y se aniquilaran rápidamente. Para poder estudiarlos bien, se necesitan átomos que duren más tiempo.
Atrapando el antihidrógeno para estudiarlo
En 2010, científicos del CERN, liderados por Jeffrey Hangst, hicieron un experimento llamado Alpha. ¡Lograron atrapar y detectar 38 átomos de antihidrógeno! Para esto, usaron millones de antiprotones y positrones, y una "trampa" magnética especial. Esta trampa puede mantener los átomos neutros (sin carga eléctrica) en su lugar, usando sus propiedades magnéticas.
En 2011, el proyecto Alpha fue aún más lejos: lograron crear más de 300 átomos de antihidrógeno y los mantuvieron atrapados por 1000 segundos (¡más de 16 minutos!). Esto es muy importante porque permite a los científicos aprender mucho más sobre la antimateria.
En marzo de 2012, el CERN dio otro gran paso: lograron manipular átomos de antihidrógeno usando microondas. Esto les permitió ver por primera vez cómo es la "huella" de un antiátomo.
En 2016, el proyecto ALPHA midió cómo los electrones se mueven entre los dos niveles de energía más bajos del antihidrógeno. Los resultados fueron idénticos a los del hidrógeno normal. Esto apoya la idea de que la materia y la antimateria son como un espejo la una de la otra.
¿Qué características tiene el antihidrógeno?
Similitudes con el hidrógeno normal
Según una teoría importante en física llamada el teorema CPT, los átomos de antihidrógeno deberían ser muy parecidos a los de hidrógeno normal. Se espera que tengan la misma masa, el mismo momento magnético y que emitan luz del mismo color cuando sus electrones cambian de nivel de energía (esto se estudia con la espectroscopia atómica).
También se cree que los átomos de antihidrógeno deberían ser atraídos por la gravedad de la misma manera que los átomos de hidrógeno normales. Esto significa que la antimateria no tendría una "gravedad negativa", aunque esto todavía se está investigando.
¿Qué pasa cuando el antihidrógeno toca la materia?
Cuando el antihidrógeno entra en contacto con la materia normal, sus partes se "aniquilan" muy rápidamente. El positrón (la parte positiva del antihidrógeno) se une con un electrón (la parte negativa de la materia normal) y producen rayos gamma. El antiprotón (la parte negativa del antihidrógeno) se une con los quarks de los neutrones o protones de la materia normal, creando partículas de alta energía llamadas piones. Estas piones se transforman rápidamente en otras partículas como muones, neutrinos, positrones y electrones.
Si los átomos de antihidrógeno pudieran estar en un vacío perfecto, sin tocar nada de materia, ¡podrían existir para siempre!
Como es el "anti-elemento" del hidrógeno, se espera que el antihidrógeno tenga exactamente las mismas propiedades. Por ejemplo, el antihidrógeno sería un gas a temperatura ambiente y se combinaría con el antioxígeno para formar antiagua.
¿Cómo se produce el antihidrógeno?
Métodos iniciales de producción
El primer antihidrógeno fue creado en 1995 por un equipo liderado por Walter Oelert en el CERN. Usaron un método propuesto por Charles Munger Jr, Stanley Brodsky e Ivan Schmidt Andrade.
En un lugar llamado LEAR, dispararon antiprotones desde un acelerador de partículas hacia grupos de átomos de xenón. Esto producía pares de electrón-positrón. Los antiprotones podían "capturar" positrones, pero la probabilidad era muy baja. Por eso, este método no era bueno para producir mucho antihidrógeno. Otros experimentos en Fermilab midieron algo similar. Ambos métodos producían anti-átomos con mucha energía, lo que los hacía difíciles de estudiar.
Por eso, el CERN construyó el Decelerador de Antiprotones (AD). Este aparato ayuda a crear antihidrógeno con poca energía, lo que es mejor para estudiar las simetrías fundamentales de la física. El AD puede producir millones de antiprotones por minuto.
Producción de antihidrógeno de baja energía
Los experimentos de los grupos ATRAP y ATHENA en el CERN lograron juntar positrones y antiprotones en unas "trampas" especiales llamadas trampas Penning. Así, podían crear unos 100 átomos de antihidrógeno por segundo. ATHENA fue el primero en producir antihidrógeno de esta manera en 2002, y luego ATRAP también lo hizo. Para 2004, ya se habían fabricado millones de átomos de antihidrógeno. Sin embargo, estos átomos seguían estando algo "calientes" (con mucha energía), lo que hacía que chocaran con las paredes del aparato y se aniquilaran. Para hacer pruebas muy precisas, se necesita poder observar los átomos por mucho tiempo.
ALPHA, que es un grupo que siguió al proyecto ATHENA, se formó para atrapar el antihidrógeno de forma estable. Aunque el antihidrógeno no tiene carga eléctrica, su momento magnético interactúa con un campo magnético especial. Esto permite que algunos átomos sean atraídos hacia un punto donde el campo magnético es mínimo, manteniéndolos atrapados.
En noviembre de 2010, el grupo ALPHA anunció que habían atrapado 38 átomos de antihidrógeno por un sexto de segundo. ¡Fue la primera vez que se lograba mantener antimateria neutra atrapada! En junio de 2011, atraparon 309 átomos de antihidrógeno, algunos hasta por 1000 segundos. Después, estudiaron su estructura interna, cómo les afecta la gravedad y su carga. ALPHA seguirá haciendo mediciones junto con otros experimentos como ATRAP, AEGIS y GBAR.
Galería de imágenes
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Un antihidrógeno está formado por un antiprotón y un positrón.
Véase también
En inglés: Antihydrogen Facts for Kids
- Antimateria
- Electrón / Positrón
- Ecuación de Dirac
- Fotón
- Positronio
- Antiprotón / Protón
- Interacción gravitacional de la antimateria
