Un grupo de físicos, tragado por una misteriosa «nube de antimateria»

Seis años después, y aunque siguen sin saber lo que ocurrió, aventuran algunas posibilidades en la revista Journal of Plasma Physics

Un rayo

El 21 de agosto de 2009, un grupo de físicos que volaba en un avión de investigación atmosférica se introdujo por error en un violento frente tormentoso y se vio rodeado de repente por una nube de antimateria. Desde entonces, los investigadores han tratado de salir de su asombro y comprender el extraordinario e inesperado fenómeno. Hoy, seis años después, y aunque siguen sin saber lo que ocurrió, aventuran algunas posibilidades en la revista Journal of Plasma Physics.

Joseph Dwyer, físico de la Universidad de New Hampshire, volaba junto a un grupo de colegas especializados en el estudio de fenómenos eléctricos cuando se produjo el turbulento e inesperado encuentro. Para realizar su trabajo, los investigadores habían montado un detector de partículas en un Gulfstream V, un tipo de jet muy utilizado por altos ejecutivos.

Todo parecía transcurrir con normalidad a bordo hasta que el avión se colocó justo encima de una tormenta extremadamente violenta. Los pilotos giraron hacia lo que en su radar parecía ser la costa de Georgia. «Pero en realidad —recuerda Dwyer— era un frente tormentoso, y acabamos volando justo a través de él». El avión fue zarandeado violentamente y empezó a caer de forma repentina. «Realmente pensé que íbamos a morir», afirma Dwyer.
«Nube de positrones»

Pero durante aquellos minutos de angustia, los instrumentos empezaron a indicar algo más. El avión, de hecho, estaba rodeado por una «nube de positrones» (las partículas de antimateria opuestas a los electrones) que de ningún modo habría tenido que estar ahí. La nube tenía aproximadamente dos km. de extensión.

Toparse de bruces con una nube de positrones sin que existan otros fenómenos físicos asociados (como por ejemplo una fuerte emisión de rayos gamma) es algo completamente desconcertante y que va contra nuestra comprensión de la Física. De hecho, el fenómeno no puede ser explicaco por ningún proceso conocido. «Fue algo tan extraño —asegura el propio Dwyer— que le hemos estado dando vueltas varios años».

En palabras del científico, «el hecho de que, como salidos de la nada, el número de positrones a nuestro alrededor se incrementara súbitamente en más de un factor de 10 y formara una nube alrededor del avión es algo muy difícil de entender. Y realmente no tenemos una buena explicación para ello».

Se sabe que, algunas veces, las tormentas producen destellos de rayos gamma muy energéticos, que pueden a su vez generar pares de electrones y positrones cuando interactúan con el aire. Pero la aparición de positrones debe, por fuerza, coincidir con un gran aumento en la cantidad de rayos gamma.

«Deberíamos haber visto brillantes emisiones de rayos gamma junto a los positrones —explica Dwyer—. Pero lo único que observamos fue, primero, una nube de positrones, y después otra a unos siete km. de distancia. Y solo después pudimos ver un brillante resplandor de rayos gamma. Lo cual no tiene ningún sentido».

David Smith, de la Universidad de California en Santa Cruz y coautor del estudio, afirma que «esperábamos que la tormenta produjera algunas formas de radiación, pero no esto. Ni siquiera sabemos si se trata de algo que la naturaleza puede hacer por sí misma o si sólo ocurre cuando se incluye un avión en la mezcla».

En el Universo hay (materia oscura aparte) dos clases diferentes de materia: la «normal» y la antimateria, que son idénticas excepto por el signo de su carga eléctrica. Así, para cada partícula «normal» existe una «antipartícula», que en el caso del electrón es el positrón. Cuando una partícula de materia se junta con otra de antimateria, ambas se aniquilan mutuamente en un destello de rayos gamma. Es, señala Dwyer, el mismo tipo de proceso que se supone que suministra energía a la nave Enterprise de Star Trek.

Tras haber estado donde no debía, Dwyer asegura que su experiencia «dentro del vientre de la bestia», aporta nueva información sobre el extreño y en gran parte aún desconocido mundo de las tormentas, un extraño universo de rayos gamma, partículas de alta energía que viajan casi a la velocidad de la luz y, ahora, también de extrañas nubes de antimateria.

Una posible explicación para la súbita aparición de positrones es que el avión mismo, de alguna forma, influyera sobre el medio eléctrico de la tormenta. Pero esto, según Dwyer, sería algo muy sorprendente. También sería posible que los investigadores detectaran algún tipo de descarga eléctrica exótica en el interior de la tormenta, una que implique la existencia de positrones.
«Rayo oscuro»

«Es la idea de un "rayo oscuro"capaz de fabricar un montón de positrones —aventura el científico—. Es posible que lo que estábamos viendo fuera una especie de huella digital de un relámpago oscuro. Es posible, aunque tampoco esta explicación es del todo satisfactoria».

Los «rayos oscuros» son una forma exótica de descarga eléctrica en el interior de las tormentas y que se producen en alternancia con los rayos normales. En un rayo oscuro, partículas muy energéticas son aceleradas y pueden producir positrones, que ayudan a descargar el campo eléctrico.

Sin embargo, según reconoce Dwyer, «realmente no sabemos muy bien cómo un rayo empieza a formarse, porque aún no comprendemos del todo el entorno eléctrico de una tormenta. Este fenómeno con positrones podría estarnos diciendo algo nuevo sobre cómo se cargan las tormentas y se forman los rayos. Pero nuestro hallazgo, sin duda, ha complicado las cosas porque no se ajusta a la imagen que se tenía hasta ahora sobre la naturaleza de estos fenómenos».


Fuentes: ABC.ES Lea Más

La partícula que es materia y antimateria a la vez

Un equipo de EEUU crea una exótica partícula cuya existencia se predijo hace más de 70 años
 
Imagen de microscopio del material observado con las nuevas partículas observadas / Princeton

En 1937, un joven y brillante físico italiano llamado Ettore Majorana predijo la existencia de una partícula aparentemente imposible. No tenía carga y, por tanto, podía comportarse a la vez como si estuviese hecha de materia y antimateria. Hacía solo unos años que Paul Dirac, otro joven y brillante físico británico, había explicado la teoría moderna de la antimateria. Esta venía a decir que por cada elemento de materia conocida podía haber un reverso con carga opuesta hecha de antimateria. Así, un electrón tendría su positrón y un protón, su antiprotón. Cuando ambos entraban en contacto se desintegraban de forma violenta dejando escapar un estallido de radiación. La excepción era esa exótica partícula predicha por Majorana. Desde entonces, nadie ha conseguido observarla en la naturaleza. Su falta de carga haría que estas partículas, llamadas fermiones de Majorana, no interactuaran con la materia convencional con lo que serían muy difíciles de detectar. Hoy se piensa que partículas similares podrían ser las que componen la esquiva materia oscura, esa sustancia que compone el 23% del universo sin que nadie aún haya conseguido observarla de forma directa. Un año después de hacer su propuesta, como si fuese uno de sus fermiones indetectables, Ettore Majorana desapareció sin dejar rastro mientras viajaba en un barco hacia Nápoles.

Hoy, un equipo de investigadores de EEUU publica un estudio en el que demuestran haber observado fermiones de Majorana. Tal y como predijo el físico, se trata de partículas que se comportan como si estuviesen hechas de materia y antimateria al mismo tiempo y que serían a la vez una partícula y su propia antipartícula.

    “Hemos tomado una imagen directa del fermión de Majorana"

El hallazgo no se ha hecho en un gran acelerador de partículas, como en el caso del bosón de Higgs, sino 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 Majorana.

“Hemos tomado una imagen directa del fermión de Majorana usando el microscopio de efecto túnel en lugar de detectar su existencia de forma indirecta”, explica a Materia Ali Yazdani, uno de los investigadores de Princeton autores del hallazgo. Sus resultados se publican hoy en la revista Science. En 2012, otro equipo europeo clamó haber observado los mismos fermiones. Pero su detección no era del todo directa y las señales observadas podían deberse a otras causas. Las nuevas pruebas "dan más más credibilidad" a la creación de partículas de Majorana, señala Llorenç Serra, del Instituto nstituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (CSIC-UIB).

Pero, ¿son estas partículas realmente fermiones como los predichos por el desaparecido Majorana? Es una cuestión que enciende a los físicos que trabajan con detectores como el LHC o en grandes sensores para cazar neutrinos. Estos experimentos pueden observar partículas fundamentales naturales, producidas de forma espontánea en el universo o de forma provocada haciendo chocar protones a velocidades cercanas a la de la luz. Por el contrario, las partículas generadas en experimentos como el de Princeton deben su comportamiento a los átomos que las rodean, en este caso de hierro y plomo. No son partículas elementales sino una variante inferior que los físicos denominan “cuasipartículas”. La gran pregunta ahora es si las propiedades que se observan en estas cuasipartículas se dan también en el mundo de las partículas elementales.

Por ejemplo se piensa que el neutrino, que apenas interactúa con la materia, podría ser a la vez partícula y antipartícula. Esto explicaría cómo pudo surgir un universo como el que conocemos, pero nadie, por ahora, lo ha conseguido demostrar. Otras posibles partículas de Majorana aún no confirmadas y también esenciales para entender el universo serían los neutralinos, que compondrían la materia oscura, otro de los grandes interrogantes de la física actual.

“El hecho de que la naturaleza produzca cuasipartículas de Majorana resulta cuando menos sugestivo de que las partículas elementales que pueden serlo, como el neutrino, también lo serán”, opina Juan José Gómez-Cadenas. Este físico del CSIC dirige un experimento en Canfranc con el que pretende ser el primero en detectar a ese esquivo neutrino que es partícula y su contrario. “Da la impresión de que, también aquí se cumple la regla que dice que la naturaleza siempre opta por que si una cosa es posible, entonces va y la implementa”, resalta.

Yazdani añade que “quizás la clave del estudio sea que demostrar un concepto de forma experimental y con precisión en un sistema te puede dar confianza de que quizás esa misma idea juegue un papel en otro sistema”. Y añade “Esta política de preguntarse ‘¿por qué no? es probablemente la que inspiró a Majorana y ha sido clave en muchos hallazgos científicos”.

Después de 76 años, el destino del propio Majorana sigue siendo un misterio.
Adelanto hacia la computación cuántica

Más allá de los misterios del cosmos, la investigación en este campo tiene otra posible aplicación en el terreno de la computación cuántica. Esta disciplina pretende generar ordenadores millones de veces más potentes que los actuales aprovechando las propiedades cuánticas de ciertas partículas. El hecho de que los fermiones generados sean duales, a la vez materia y antimateria, les da una sorprendente estabilidad respecto a su entorno, lo que podría ayudar a usarlos para componer bits cuánticos más manejables que los que actualmente se diseñan basados en electrones, según una nota de prensa difundida por Princeton. “Son unos experimentos muy sólidos, que dan más credibilidad a que la física de partículas Majorana aparece en los sistemas de materia condensada”, opina Llorenç Serra, que investiga los efectos cuánticos de ciertos materiales en el Instituto nstituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (CSIC-UIB). Serra coincide en que el tipo de materiales usados en este estudio, cadenas de hierro superconductoras, tienen potencial para mejorar la computación cuántica. “La gran ventaja que tienen”, dice, es que los fermiones de Majorana “están deslocalizados en los dos extremos del cable”. Esto, dice, “les hace robustos y un estado cuantico robusto frente a pérdidas de coherencia es imprescindible para un ordenador cuantico”.

Fuentes: EL PAIS.COM Lea Más