El experimento de doble rendija usando antimateria (positrones)

Por Francisco R. Villatoro, el 5 mayo, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 11

El experimento de la doble rendija demuestra que la dualidad onda-partícula de la materia. Se ha realizado con electrones, protones, átomos y hasta con fullerenos (70 átomos de carbono). Se publica en Science Advances la primera realización de este experimento usando antimateria, en concreto, positrones. Se ha usado una fuente radiactiva beta de sodio-22 para producir un haz estable de positrones (antipartículas del electrón) que se ha hecho pasar por una rejilla de difracción formada por varillas nanométricas de nitruro de silicio. El patrón de interferencia se ha observado en un detector de emulsión nuclear. En un futuro se pretende repetir este hito usando positronio (un átomo exótico formado por un electrón y un positrón).

En concreto, se ha usado un interferómetro de Talbot–Lau diseñado para un haz de positrones de baja energía (8 a 16 keV). Como fuente se ha usado el haz de positrones de muy baja energía generado a partir de 22Na en la instalación L-NESS (Laboratory for Nanostructure Epitaxy and Spintronics on Silicon), en Como, Italia. Italy). El haz tiene una energía de 3 eV, que debe ser acelerado hasta 16 keV mediante un sistema electrostático, y unos 5000 positrones por segundo, (5 ± 1) × 103 e+/s. Se enfoca en dirección hacia dos rejillas de difracción separadas por L1 = (118.1 ± 0.2) mm, cada una formada por varillas de nitruro de silicio (SiN) recubiertas de oro de un grosor de 0.700 μm, separadas una distancia de d1 = (1.210 ± 0.001) μm y d2 = (1.004 ± 0.001) μm, resp. El patrón de interferencia en el detector, situado a una distancia de L2 = (576 ± 5) mm, e inclinado 45° con respecto al eje de incidencia, presenta líneas verticales separadas a d3 = (5.90 ± 0.04) μm. El patrón se observa en un detector de germanio de alta pureza (HpGe) gracias a los rayos gamma (511 keV) emitidos por la aniquilación de los positrones en la emulsión nuclear.

El artículo es S. Sala, A. Ariga, …, P. Scampoli, “First demonstration of antimatter wave interferometry,” Science Advances 5: eaav7610 (03 May 2019), doi: 10.1126/sciadv.aav7610arXiv:1808.08901 [quant-ph] (27 Aug 2018). Más información divulgativa en Maria Temming, “Antimatter keeps with quantum theory. It’s both particle and wave. A variation of the classic double-slit experiment is applied to a positron for the first time,” Science News, 03 May 2019.

Este vídeo ilustra el resultado de un experimento cuya duración fue de 120 horas; se han realizado otros experimentos de hasta 200 horas de exposición. La razón de una exposición tan larga es que el flujo de positrones incidentes en la emulsión es de unos 100 e+/s (recuerda que el haz original de L-NESS es de unos 5000 e+/s, pero que durante la aceleración y el paso por las rejillas hay grandes pérdidas al tratarse de un haz de antimateria). Así para acumular una estadística suficiente se requieren tiempos de exposición muy largos.

Esta figura muestra el contraste en las placas de emulsión en función de la energía del haz de positrones incidente. El ajuste de los resultados experimentales con un modelo teórico es excelente. En este sentido me gustaría destacar que el análisis del experimento es sencillo y muchos profesores de Física Cuántica podrán aprovechar este artículo como parte de los ejercicios que ofrecen a sus estudiantes.

Los interesados en consultar más detalles del experimento pueden consultar el artículo y su información suplementaria. Solo me resta que decir que como físico no tengo ni ninguna duda sobre la aplicación de la dualidad onda-partícula a la antimateria. Sin embargo, me parece interesante que se realicen este tipo de experimentos de ciencia básica. Más aún cuando el objetivo del proyecto QUPLAS (QUantum interferometry with Positrons and LASers) de estos investigadores es repetir el experimento con haces de positronio, muonio, e incluso antihidrógeno. Sin lugar a dudas en este blog estaré al tanto de sus progresos.



11 Comentarios

  1. Interesante, gracias.

    Una pregunta: en los experimentos de doble rendija que papel juega el espesor? Es decir si tenemos 2 pequeñas rendijas muy próximas pero con un gran espesor (digamos un metro) la interferencia desaparece?

    1. Hola Jose G.

      El experimento clásico de Young se realiza con una barrera que se supone de anchura pequeña, si aumentáis la anchura del obstáculo que contiene las rendijas, entonces las rendijas (que ahora son orificios) actuarán como guías de onda y la luz emergerá del obstáculo como luz colimada. Por ello, el patrón desaparecerá si la anchura del obstáculo es grande y el diámetro del orificio (que si se supone uniforme será aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz emergente) es mucho menor que la separación entre orificios.

      Algo similar ocurrirá con la versión cuántica.

      Un saludo.

      1. Muchas gracias. A pesar de que soy lego en la materia el asunto es interesante.

        Mi pregunta no va sobre la anchura de las rendijas ni la separación entre ellas sino más bien sobre si el espesor de la lámina en que están realizadas dichas rendijas influye en el fenómeno clásico de la interferencia.

        1. Jose G.

          El espesor influye, como dije: si el espesor de la lámina que contiene las rendijas (orificios) es extremadamente grande, entonces el patrón desaparece.

          Pero debo insistir, las separaciones lámina-pantalla y entre rendijas siempre son importantes, un ejemplo: Si para un espesor finito ocurre que la longitud de onda de la luz (o cualquier otra onda) que emerge de las rendijas es mayor que la separación entre ellas, entonces observaréis interferencia en la pantalla.

  2. Las antipartículas se producen en colisiones de alta energía entre partículas, cuyos productos de desintegración, a veces, son pares de partícula-antipartícula; así en colisionadores de partículas y en los fenómenos violentos del universo se producen antipartículas (que si son estables, como positrones y antiprotones acaban alcanzando la Tierra como rayos cósmicos).

    En el experimento que comento en esta pieza, los positrones se producen cuando un núcleo de un átomo de sodio-22 se desintegra vía la interacción beta en un núcleo de un átomo de neón-22, es decir, cuando un protón se desintegra en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico, es decir, cuando un quark arriba (u) emite un bosón W+ (virtual) cambiando su identidad a un quark abajo (d), con la posterior desintegración del boson W+ en un positrón y un neutrino electrónico.

  3. Las partículas se clasifican en dos grandes tipos: Bosones (fotones, gluones, etc.) y Fermiones (quarks, electrones, neutrinos, etc.).

    Todos los fermiones conocidos a la fecha (excepto quizá los neutrinos) son Fermiones de Dirac. Cada partícula de este tipo tiene su correspondiente antipartícula, por ejemplo el positrón es la antipartícula del electrón.

    También hay, al menos en teoría, Fermiones de Majorana. Por ejemplo, la materia oscura (y quizá también los neutrinos, no está dilucidado aún si son ferminones de Dirac o de Majorana). Las partículas de este tipo son su propia antipartícula. Dicho de otra manera, todas las partículas (tanto bosones como fermiones) tienen al menos dos componentes: polaridad derecha y polaridad izquierda. En los fermiones de Majorana, esos dos componentes son uno la antipartícula del otro.

    En este vídeo el propio Francis lo explica estupendamente:
    https://youtu.be/c4bh_qkTyTs?t=1267

    El enlace apunta al momento del vídeo en que Francis comienza a explicar el asunto de las antipartículas. Pero para entender eso (y mucho más) bien entendido, recomiendo enfáticamente retroceder el vídeo y verlo desde el comienzo.

    .

    Otro asunto es por qué actualmente en el universo no hay cantidades iguales de materia y de antimateria…

    home.cern/science/physics/matter-antimatter-asymmetry-problem

    en.wikipedia.org/wiki/Baryon_asymmetry

    home.cern/news/press-release/physics/lhcb-sees-new-flavour-matter-antimatter-asymmetry

    Saludos.

  4. Quisiera saber de donde obtienen la masa o energía los piones de la interacción fuerte y las partículas de la interacción débil . gracias y felicitaciones por difundir conocimiento.

    1. Aníbal, busca la información en este blog: “La masa de un protón, la masa de sus quarks y la energía cinética de sus gluones”, https://francis.naukas.com/2012/04/30/la-masa-de-un-proton-la-masa-de-sus-quarks-y-la-energia-cinetica-de-sus-gluones/; “El canibalismo de los gluones y el enigma de la masa del pión”, https://francis.naukas.com/2016/12/27/canibalismo-los-gluones-enigma-la-masa-del-pion/; “El bosón de Higgs y sus tres hermanos “difuntos””, https://francis.naukas.com/2011/10/10/el-boson-de-higgs-y-sus-tres-hermanos-difuntos/; “La ruptura espontánea de la simetría electrodébil y el bosón de Higgs”, https://francis.naukas.com/2010/07/31/la-ruptura-espontanea-de-la-simetria-electrodebil-y-el-boson-de-higgs/; pero decenas de entradas que te lo explican; busca y disfruta aprendiendo.

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