La fuerza fuerte entre dos antiprotones es atractiva

Dibujo20151105 schematic two-particle correlation process heavy-ion collision nature15724-f1

Los antiprotones deben responder a la fuerza nuclear fuerte exactamente igual que los protones. Lo ha comprobado con gran detalle el experimento STAR del RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del BNL (Brookhaven National Laboratory, Upton, New York, EE.UU.) que estudia las colisiones entre iones de oro a una energía de 200 GeV por nucleón. La interacción fuerte entre dos antiprotones es igual que entre dos protones (dentro de los márgenes de error del experimento).

El resultado se ha obtenido tras analizar unas 500 millones de colisiones entre iones de oro y apunta a que la antimateria (los antiátomos cuyos núcleos están formados por antiprotones y antineutrones) se comporta exactamente igual que la materia (hasta donde hemos podido medir la posible diferencia).

El artículo es The STAR Collaboration, “Measurement of interaction between antiprotons,” Nature, AOP 04 Nov 2015, doi: 10.1038/nature15724; más información divulgativa en Andrew Grant, “Antiprotons match protons in response to strong nuclear force. Collider experiment finds antimatter behaves just like ordinary matter,” Science News, 04 Nov 2015.

Dibujo20151105 d0 versus f0 for nucleon-nucleon antinucleon-antinucleon interactions nature15724-f2 nature15724-f4

Para comparar la interacción fuerte entre dos antiprotones y entre dos protones se han usado dos parámetros: la longitud de dispersión f0 (fm), relacionada con las secciones transversales elásticas, y el alcance efectivo de la interacción d0 (fm), que está en la escala de los femtometros (fm). Como muestra esta figura (parte izquierda) los valores para protones y antiprotones son coherentes entre sí dentro de los márgenes de error experimental y sistemático. Este resultado confirma las predicciones teóricas de la cromodinámica cuántica (QCD) que explica la interacción fuerte entre nucleones y antinucleones como una interacción efectiva debida a la interacción entre los quarks y antiquarks que los constituyen vía el intercambio de gluones. La QCD es una teoría invariante CPT y el nuevo estudio confirma esta invariancia (aunque hay estudios específicos mucho más precisos).

Las colisiones ultra-relativistas de iones de oro producen una densidad de energía similar a la de los primeros microsegundos del universo tras el big bang. En dicho entorno se producen grandes cantidades de antimateria (antinucleones y antinúcleos). Gracias a ello se pueden medir los parámetros ƒ0 y d0 asociados a la fuerza nuclear fuerte entre antinucleones igual que entre nucleones. La técnica de medida usada se basa en las correlaciones cuánticas entre el momento lineal de los antiprotones que se mide por interferometría en intensidad (ténicas HBT, siglas de Hanbury, Brown y Twiss). Inventada en la década de 1950 esta técnica se usa mucho, sobre todo para estudiar condensados de Bose-Einstein y gases de Fermi ultrafríos. Sin entrar en detalles técnicos, la figura de la derecha muestra el resultado obtenido, a partir del cuál se obtienen los parámetros ƒ0 y d0.

Dibujo20151105 Correlation functions and their ratio nature15724-f3

La correlación en momento lineal C(k*) en función del momento lineal k* para las interacciones a pares entre protones y entre antiprotones muestran una curva muy similar. Como muestra esta figura (abajo) se confirma que dicha interacción es muy similar (la QCD predice que debe ser idéntica). Por supuesto serán necesarios futuros estudios (como los que se obtendrán usando las colisiones entre iones de plomo en el detector ALICE del LHC) para mejorar la precisión de estas medidas y confirmar de forma más fiable la predicción teórica. Aún así, el resultado obtenido por STAR del RHIC es un gran aporte a nuestro conocimiento sobre la interacción fuerte entre antiprotones.

5 Comentarios

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Sr. PreguntadorSr. Preguntador

Respecto a la idea de que la antimateria pudiese ser gravitatoriamente repulsiva (en vez de atractiva, bien entre ella o respecto a la materia ordinaria), ¿este estudio reduce aún más las posibilidades (de que eso sea así) o sigue la cuestión abierta? La verdad que no tengo nada claro en qué bases teóricas se podría sostener y si eso de alguna forma debe afectar a las otras tres fuerzas fundamentales.

Camilo Rodríguez ZárateCamilo Rodríguez Zárate

Señor, no sé si interpreto bien el gráfico d0(fM) vs f0(fM)
Interpreto que la estrella es el valor medido, que les proporciona el valor d0(fM)=2 aproximadamente.
Pero si la ventana rectangular vertical fuese el error, éste va desde aproximadamente 0.5 hasta 3.5
Eso sería un error de +/- 75% aproximadamente. ¿No es un margen de error excesivamente grande para dar mucha importancia al estudio? ¿O es que la gráfica se debe interpretarse diferente?
Gracias por su dedicación a hacernos comprensibles las dificultades de la Ciencia.

Francisco R. Villatoro

Camilo, quizás no lo he dejado claro en la entrada. Se trata de la primera medida de la interacción antiprotón-antiprotón realizada hasta ahora, por ello en el plano f0/d0 el error es muy grande. La mayor contribución a este error son los errores sistemáticos (debido al error teórico asociado a la interpretación de los resultados); ; más detalles en esta tabla).

Pero tienes razón, el error es muy grande y futuras medidas tendrán que reducirlo.

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