Category Archives: Antimatter

¿Está compuesta la materia oscura por neutrinos?

Un par de trabajos sugieren que los neutrinos tienen mayor masa de lo pensado y tendrían una gran contribución a la materia oscura.

A estas alturas todos conocemos el problema de materia oscura, esa masa que no vemos y que altera la rotación de las galaxias o contribuye al fenómeno de lentes gravitatorias. Normalmente se propone la existencia de partículas exóticas que den cuenta de esa masa, que es mucho mayor que la masa de la materia visible.
A veces se ha propuesto que sean los neutrinos los que hagan la materia oscura, al fin ya la cabo no interactúan prácticamente con la materia ordinaria. Para poder detectar alguno de los millones de neutrinos que nos atraviesan constantemente se usan miles de números de Avogadro de átomos corrientes y se espera a alguna interacción en un sitio aislado de la radiación natural. Esta baja interacción se debe a que los neutrinos sólo interaccionan con la materia ordinaria a través de la fuerza nuclear débil o la gravedad (que es la más débil de todas las fuerzas).
Hay tres tipos o “sabores” de neutrinos, cada uno asociado al electrón, al muón y al tau. Además, desde hace un tiempo, se ha propuesto la existencia de un cuarto neutrino que no interaccionaría con la materia ordinaria ni siquiera a través de la fuerza nuclear débil, sino que sólo interaccionaría con el resto de los neutrinos y con la gravedad. Tampoco sería capaz de cambiar su sabor. Los neutrinos estériles son un concepto puramente teórico, a diferencia de los otros tres tradicionales, que sí se han observado.

Neutrino mass and effective number constraints, labeled as in Fig. 1 (× indicates the ML model, + its shift from a 9% cluster mass increase). Bottom: S? sterile case for Td (left) and Ad (right). The region excluded by the msDW<7??eV prior is left of the dashed line. Top: A? active case for Td (left) and Ad (right). In all cases the minimal ?m?=0.06??eV, Neff=3.046, and ms=0 is highly excluded.

Neutrino mass and effective number constraints, labeled as in Fig. 1

En un principio se creía que los tres neutrinos tradicionales carecían de masa, pero el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos que hace que unos tipos se transformen en otros (y que resuelve el problema de la paradoja de los neutrinos solares) nos dice que tienen alguna masa. Esta masa es muy pequeña, con una cota inferior es de 0,06 eV. Pero nadie sabe su masa real. Si tuvieran una masa pequeña, pero muy por encima de esa cota, entonces podrían dar cuenta de la materia oscura, pues la cantidad de neutrinos (principalmente primordiales) es inmensa. Por el contrario, si tuvieran una masa un poco superior a esos 0,06 eV, entonces su contribución a la materia oscura sería despreciable.
Una manera de medir la materia oscura es analizando el fondo cósmico de microondas (FCM), que se corresponde a la luz emitida al cabo 380.000 años tras del Big Bang. El FCM contiene pequeñas irregularidades que dan cuenta de varios aspectos del Universo y que permiten testar los distintos modelos cosmológicos. También permite determinar la cantidad de materia oscura.
La distribución de las irregularidades es un reflejo de las fluctuaciones en densidad de materia que había tras el Big Bang. Fue precisamente en donde la densidad era mayor en donde la gravedad pudo actuar y crear más tarde los cúmulos de galaxias. Si se analiza la distribución de cúmulos en una época posterior y se comparan con las irregularidades del FCM se observa que no coinciden del todo. Pero, usando ciertos modelos, se puede deducir, usando la masa que tendrían que tener los neutrinos para que todo encajara.
Al principio del Universo, los neutrinos se moverían a velocidad relativista y no serían agrupados por la fuerza de gravedad. Pero una vez el Universo se enfrío lo suficiente, los neutrinos se moverían más despacio hasta agruparse al igual que la materia normal. El número de cúmulos de galaxias sería un reflejo de la masa de los neutrinos. Cuanto más masivos más contribuirían a la materia oscura.
En un artículo publicado recientemente Richard Battye (University of Manchester) y Adam Moss (University of Nottingham) se analizan los datos del FCM aportados por las misiones WMAP y Planck usando la idea antes expuesta y se llega a la conclusión de que la contribución de los neutrinos podrían dar cuenta de la materia oscura. Algo similar han hecho Mark Wyman (University of Chicago) y sus colaboradores.
En ambos casos proponen dos posibilidades. En la primera los tres neutrinos tradicionales tendrían una masa de 0,32 eV y 0,39 eV respectivamente, con barras de error que tienen una intersección común.
En la segunda sugieren la participación de neutrinos estériles en el escenario. Dependiendo del modelo usado se asigna una masa al neutrino estéril de entre 0,3 eV y 0,5 eV. Al parecer, esta segunda opción encaja mejor que la primera con los datos experimentales.

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Experimento ASACUSA (antimateria) produce primeras particulas de antihidrógeno

El experimento ASACUSA en el CERN (Imagen: Yasunori Yamakazi)

El experimento ASACUSA en el CERN (Imagen: Yasunori Yamakazi)

El experimento ASACUSA en el CERN ha tenido éxito por primera vez en la producción de un haz de átomos de antihidrógeno.

En un artículo publicado en Nature Communications , la colaboración ASACUSA informa de la detección inequívoca de 80 átomos de antihidrógeno a la distancia de 2,7 m. , donde la influencia perturbadora de los campos magnéticos inicialmente utilizado para producir los antiátomos es pequeño.
Este resultado es un paso significativo hacia la espectroscopia hiperfina preciso de átomos de antihidrógeno.Primordial antimateria hasta ahora nunca se habia observado en el universo, y su ausencia sigue siendo un gran enigma científico. Sin embargo, es posible producir cantidades significativas de anti-hidrógeno en experimentos en el CERN mezclando antielectrones (positrones) y antiprotones de baja energía producidos por el Antiprotones desacelerador.

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Partículas y antipartículas en un superconductor nanométrico

Un equipo internacional con participación de científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha demostrado la superconductividad inducida en una estructura nanométrica que combina hilos semiconductores con un material superconductor. Los resultados, publicados en la revista Nature Nanotechnology, explican por primera vez las propiedades magnéticas de los estados excitados de electrones y huecos en este sistema y podrían abrir nuevos campos de estudio en nanotecnología.

A temperaturas muy bajas, algunos metales se convierten en superconductores y cambian radicalmente sus propiedades eléctricas y magnéticas. En particular, los superconductores, que tienen numerosas aplicaciones, no ejercen resistencia al paso de la corriente eléctrica, por lo que la conducción de los electrones se realiza sin pérdidas de energía. 

Particulas-y-antiparticulas-en-un-superconductor-nanometrico

“Cuando un material superconductor se encuentra en su estado de energía más baja, se convierte en una onda cuántica colectiva formada por pares de Cooper, parejas de electrones que se unen a pesar de ser cargas negativas que tienden a repelerse. En nuestro trabajo hemos demostrado esta superconductividad inducida en hilos semiconductores de tamaño nanométrico”, explica Ramón Aguado, investigador del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid.

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Tiempo de espera en el LHC

Cerca de 800 técnicos trabajan para que el gran acelerador de partículas del CERN busque nueva física a partir de 2015. Después del descubrimiento del bosón de Higgs, los científicos reconocen que en realidad se lo esperaban y que no acaban de dar con la clave para avanzar en las grandes cuestiones sobre el universo. Confían en que surja un nuevo ‘Einstein’ que traiga nuevas ideas.

Lift of the positive preshower endcap (ES+) above CMS, from the UXC55 cavern into the SX5 surface building

Lift of the positive preshower endcap (ES+) above CMS, from the UXC55 cavern into the SX5 surface building

Es la pista más rápida del planeta, donde se circula casi a la velocidad de la luz. Un lugar tan vacío como el espacio interestelar. Uno de los más fríos del universo (–271ºC), pero a la vez donde se generan temperaturas mil millones de veces más altas que las del Sol. Cuenta con los detectores más grandes y sofisticados jamás construidos, y un sistema de computación, el Grid, también el más grande del mundo.

Estas cifras récord las ostenta el gran colisionador de hadrones o LHC, el famoso acelerador que el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) opera bajo la frontera franco-suiza. Mantenerlo cuesta alrededor de mil millones de euros al año, de los que España aporta unos 75 millones como estado miembro. “A cada europeo le cuesta como tomar una taza de café”, le gusta decir a su director, Rolf Heuer, satisfecho de que nuestro país esté solucionando los retrasos en la cuota.

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Conexión del universo visible con la materia oscura

¿El fotón visible tiene una contraparte, un fotón oscuro, que interactúa con los componentes de la materia oscura?

Ilustración por Sandbox Studio, Chicag

Ilustración por Sandbox Studio, Chicag

Durante miles de años, la humanidad ha dependido de la luz para revelar los misterios de nuestro universo, ya sea mediante la observación de la luz emitida por las estrellas candentes brillantes o por el resplandor de la luz en lo muy pequeño, con microscopios.

Sin embargo, de acuerdo con los datos recientes, los científicos piensan que sólo alrededor del 5 por ciento de nuestro universo está hecho de átomos visibles de materia ordinaria que componen casi todo lo que podemos ver, tocar y sentir. El otro 95 por ciento está compuesto por el llamado sector oscuro, que incluye la materia oscura y la energía oscura. Estos se describen como "oscuras" porque observamos sus efectos sobre otros objetos en lugar de verlos directamente. Ahora, para estudiar la oscuridad, los científicos están recurriendo a lo que saben acerca de la luz, y que están apuntando a una prueba reciente con éxito del equipo experimental que sugiere que una exploración del sector oscuro puede ser posible en el Jefferson Lab.
Luz Oscura

Sabemos que las partículas de luz, fotones, interactúan con la materia visible y su edificio bloquea-protones, neutrones y electrones. Tal vez lo mismo es cierto para la materia oscura. En otras palabras, ¿el fotón visible tiene una contraparte, un fotón oscuro, que interactúa con los componentes de la materia oscura?

La colaboración DarkLight es la esperanza de responder a esa pregunta. Peter Fisher y Richard Milner, profesores del Instituto de Tecnología de Massachusetts, sirven como portavoces de la colaboración DarkLight. Fisher fue nombrado recientemente director del departamento de física del MIT, y Milner es directora de Laboratorio del Instituto de Ciencias Nucleares.

En una reciente entrevista, Milner dijo que el fotón oscura puede superar los sectores de luz y oscuridad de nuestro universo.

"Estas partículas son motivados por el supuesto de que la materia oscura existe y que debe de alguna manera ser pareja de la materia normal en el universo. Y estos fotones oscuros  podían hacer eso ", explica.

Según la teoría, el fotón oscuro es muy similar al fotón de luz, excepto que tiene masa e interactúa con la materia oscura. El fotón oscuro se refiere a veces como un fotón pesado o como una partícula llamada la A . Si el fotón oscuro también interactúa con la materia ordinaria, puede ser sacado fuera de su escondite bajo las condiciones ideales. De hecho, Milner dice que los científicos ya han vislumbrado los efectos de fotones oscuros en los datos de la física de partículas y experimentos astrofísicos.
Consejos de fotones oscuros en datos del pasado

Por ejemplo, los fotones oscuros pueden jugar un papel en la explicación de los datos en el g-2 experimento de muones (pronunciado "Moo-g en menos de dos experimento") que se realizó en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2001. Los muones son partículas que pueden ser considerados como primos más pesados  de los electrones.

El muón g-2 experimento buscaba  medir una característica del muón relacionada con su campo magnético. En términos simplistas, el momento magnético de un elemento cuantifica la fuerza de su reacción a un campo magnético. El muón tiene un momento magnético, pero, a diferencia del típico, el momento magnético del muón se ve alterada por su pequeño tamaño, esta alteración es capturado en la llamada del muón "momento magnético anómalo." Cuando el Muon g-2 colaboración midierón el momento magnético anómalo del muón, sus colaboradores se sorprendieron al encontrar que el número que se miden no coincide con el número que esperaban.

"Si esto es real, tal discrepancia podría explicarse por un fotón oscura del tipo y masa que DarkLight está buscando", dice Milner.

Otra evidencia de fotones oscuros se puede encontrar en la astrofísica.

Cuando una medición se realizó de pares electrón-positrón de alta energía en el espacio exterior, había más de lo que podría ser explicado por la producción de los rayos cósmicos, lo que sugiere que algo más, como los fotones oscuros, produce pares adicionales.

"Además, hay indicios del centro de nuestra galaxia, que no es la radiación que podría ser compatible con el fotón oscuro", añade Milner.
Un experimento de desafío

Si los fotones oscuros están dando lugar a estos fenómenos observados, significa que ellos interactúan con la materia visible, aunque sea muy raramente. También significa que el efecto debe ser reproducible y medible por los experimentadores.

"Este fotón oscuro que se espera podría ser visto por la emisión de un haz de partículas cargadas, como un haz de electrones. Así que un haz de electrones puede emitir un fotón tan oscuro ", explica Milner. "Entonces, miramos a nuestro alrededor, y el haz de electrones más potente del mundo se encuentra en el Laboratorio Jefferson Láser de Electrones Libres. Cuenta con alrededor de 1 megavatio de energía en el haz. Y así es como llegamos a Jefferson Lab, es absolutamente único en el mundo ".

Los científicos elaboraron una propuesta que pide el fin de la viga en los protones en un blanco de hidrógeno gaseoso. MIT teórico Jesse Thaler, cuyo grupo ha llevado a cabo cálculos importantes para DarkLight, propuso el nombre para el experimento, basado en el método que se utilizará para llevarlo a cabo (DarkLight: Detección de una Resonancia cinemáticamente con electrones Incidente en un blanco de hidrógeno gaseoso) .

Los experimentadores decidieron hidrógeno, debido a que sus átomos se componen de un solo protón con un electrón en órbita. Cuando los electrones del acelerador de huelga de los protones del hidrógeno, que voy a sacar los protones fuera de la diana.

"Así que si lo hacemos a energías suficientemente bajas, sabemos que el estado final es simple: es solo electrón dispersado, el protón y el par electrón-positrón, que podrían proceder de esta decadencia del fotón oscura", Milner explica.

El experimento fue aprobado con la condición de que la colaboración podría mostrar que estaban hasta los desafíos técnicos de la realización de él. Milner dice que el reto principal era demostrar que los operadores del acelerador podría conseguir un haz de electrones a través del blanco de hidrógeno estrecho. A pesar de que los electrones del haz tendrían bajas energías, el rayo tendría un montón de ellos, por un importe de 1 megavatio de potencia. Tanto poder destruiría cualquier recipiente utilizado para contener el gas de hidrógeno.

Los experimentadores decidieron que el gas se bombea a un tubo estrecho. Los electrones entonces serían enroscados en el mismo tubo estrecho. En su parte más estrecha, la tubería tendría que ser alrededor de 2 milímetros de ancho y 5 centímetros de largo, que es aproximadamente del tamaño de un agitador de café redonda.

"Decidimos que necesitábamos para hacer una prueba con un rayo. Así que, básicamente, construimos un sistema, un sistema objetivo de prueba que tenía básicamente un modelo a escala de aberturas, de 2 milímetros, aberturas de 4 milímetros y 6 milímetros de diámetro, en un bloque de aluminio. Y nos lo trajeron a Jefferson Lab hace aproximadamente un año. Y a finales de julio, tuvimos una prueba ", dice.

Jefferson Lab operadores acelerador láser roscados un haz de electrones a través de un tubo pequeño el tamaño de un agitador de café en el interior de este aparato para mostrar que el experimento DarkLight era posible. DarkLight buscará fotones oscuros, que son partículas que interactúan tanto con la materia oscura y la materia visible. Cortesía de: Laboratorio Jefferson

Jefferson Lab operadores del acelerador láser han roscado un haz de electrones a través de un tubo pequeño del tamaño de un agitador de café en el interior de este aparato para mostrar que el experimento DarkLight era posible. DarkLight buscará fotones oscuros, que son partículas que interactúan tanto con la materia oscura y la materia visible.
Cortesía de: Laboratorio Jefferson

Enhebrado del agitador del café

El personal en el MIT-Bates Centro de Investigación y de Ingeniería diseñó, construyó y entregó el conjunto de señal de prueba. Los operadores de acelerador Jefferson de laboratorio y un equipo de la colaboración DarkLight trataron de enhebrar el haz de electrones a través de los tubos estrechos en el bloque de aluminio, roscado con éxito el haz a través de la 6 milímetros, entonces el 4 milímetros, y, finalmente, la maqueta de 2 milímetros objetivos. Lo que es más, los electrones en el haz pasa a través de las tuberías de forma limpia. En el caso de la apertura más pequeña, 2 milímetros, los operadores roscan los electrones a través de la tubería de manera continua durante un período de siete horas, en ese momento, sólo tres electrones se perdieron al golpear las paredes de la tubería por cada millón que pasaba limpiamente a través.

"Por lo tanto, se trata de un haz muy potente, es un rayo muy brillante, pero también es un haz muy limpio", dice Milner.

La colaboración DarkLight publicó recientemente los resultados de las pruebas exitosas en Physical Review Letters .

Con esta prueba exitosa, el experimento DarkLight ha sido aprobado para su ejecución. Milner dice que la colaboración tiene mucho trabajo por delante antes de que pueda ejecutar el experimento, incluyendo la construcción de los detectores que se utilizarán para capturar los protones, electrones y los pares electrón-positrón, y la finalización de la meta.

Mientras tanto, también hay otras cacerías de fotones oscuros que se están preparando para correr en el Jefferson Lab. Dos de estos experimentos serán propulsados por el mismo acelerador. The Heavy Photon Search está preparando para correr en la Jefferson Lab Experimental Hall B, y el experimento APEX se llevará a cabo en la Sala Experimental A.

Publicado en http://www.symmetrymagazine.org

Una versión de este artículo fue originalmente publicado en DOE Pulse .

A version of this article was originally published in DOE Pulse.
The DarkLight collaboration recently published the results of the successful tests in Physical Review Letters.