ANTIMATERIA: UTILIZADA PARA GENERAR ENERGÍA EN VEHÍCULOS ESPACIALES Alberto Iglesias Darriba 993444

Modelo Standard Teoría que intenta describir toda la materia y todas las fuerzas existentes en el universo (excepto la gravedad). Capaz de justificar las interacciones complejas de cientos de partículas.

Ideas básicas Partículas portadoras de fuerza: Cada tipo de fuerza fundamental es “transportada” por una partícula portadora de fuerza (ejemplo: fotón). Partículas materiales: La mayoría de las partículas conocidas están compuestas por partículas más fundamentales llamadas quarks.

Resumen Hay dos clases de partículas: las partículas que son materia (electrones, protones, quarks) y las que transportan fuerzas (como los fotones).

Descripción del modelo Standard Clasifica todas las partículas en: 6 tipos de leptones 6 tipos de quarks Partículas portadoras de fuerza.

Leptones Hay seis leptones; tres de ellos tienen carga eléctrica y los otros tres no. El más conocido de los leptones cargados es el electrón (e). Los otros dos leptones cargados son el muón (µ) y la partícula tau (τ), que son esencialmente electrones, pero de masa mucho mayor. Los leptones cargados son todos negativos.

Leptones Los otros tres leptones son los neutrinos. No tienen carga eléctrica y su masa es muy pequeña. Existe un tipo de neutrino para cada tipo de leptón cargado eléctricamente. Para cada uno de los seis leptones hay un leptón de antimateria (antileptón), de igual masa pero de carga opuesta.

Quarks Hay seis quarks, pero los físicos hablan usualmente de tres pares de quarks: Up/Down, Charm/Strange, y Top/Bottom. Para cada uno de estos quarks hay un correspondiente quark de antimateria o antiquark.

Quarks Los quarks tienen la inusual característica de tener carga eléctrica fraccionaria, de valor 2/3 ó -1/3, a diferencia de la carga -1 del electrón, o de la carga +1 del protón. Los quarks también transportan otro tipo de carga llamada carga de color.

Quarks Forman partículas compuestas llamadas hadrones. La suma de las cargas eléctricas de los quarks, que constituyen un hadrón, es siempre un número entero. En tanto que los quarks individuales llevan carga de color, los hadrones son de color neutro.

Gran colisionador de hadrones

Quarks Hay dos clases de hadrones: Bariones: Mesones: Los bariones son los hadrones constituidos por tres quarks (qqq). Por ejemplo, los protones son 2 quarks up y 1 quark down (uud) y los neutrones son 1 up y 2 down (udd). Mesones: Los mesones contienen un quark y un antiquark.

Carga de color Los quarks y los gluones son partículas con carga de color. Del mismo modo que las partículas eléctricamente cargadas interactúan intercambiando fotones, las partículas con carga de color intercambian gluones en las interacciones fuertes. Al hacerlo, estas partículas con carga de color quedan a menudo "pegadas" entre sí.

Bariones

Carga de color Dos o más quarks cercanos entre sí, intercambian gluones creando un "campo de fuerza de color" muy fuerte que liga entre sí los quarks.

Carga de color Existen tres cargas de color, y las correspondientes tres cargas de anticolor (color complementario). Los quarks cambian constantemente su carga de color mientras intercambian gluones con otros quarks.

Carga de color Cada quark tiene una de las tres cargas de color; y cada antiquark tiene una de las tres cargas de color complementarias. Los gluones transportan pares color/anticolor.

Carga de color Si bien hay 9 combinaciones posibles de pares color/anticolor, debido a consideraciones de simetría es eliminada una de estas combinaciones. Un gluón puede transportar efectivamente una de las ocho posibles combinaciones color/anticolor.

¡Ojo! Las cargas de color no tienen nada que ver con los colores de la luz visible. Son llamadas cargas de color por pura convención.

Antimateria Estas partículas son idénticas a sus correspondientes partículas excepto que tienen carga eléctrica (y propiedades magnéticas) de signo opuesto. Cuando una partícula de materia se encuentra con su correspondiente partícula de antimateria, éstas se aniquilan y su masa en reposo se convierte en energía en forma de fotones.

Antimateria Colisión de protón y antiprotón = Energía

La antimateria: ¿caso práctico? Se está investigando para que en un futuro se utilice en: - Tratamientos contra el cáncer. - Transmutación nuclear. - Propulsión espacial.

¿Qué es la antimateria? En 1929 el físico inglés Paul Dirac fue capaz de combinar las teorías de la mecánica cuántica, del electromagnetismo y de la relatividad para dar forma a una nueva teoría que aclaraba muchas observaciones experimentales hasta entonces sin explicación adecuada.

La antimateria: ¿caso práctico? Seguramente este concepto nació para nosotros como algo misterioso y un tanto fantasioso. Ahora lo conocemos algo más. En la actualidad las partículas de antimateria se fabrican y almacenan en diversos laboratorios especializados. Se guardan durante meses en botellas especiales hechas de combinaciones de campos eléctricos y magnéticos.

Antimateria: aceleradores

¿Qué es la antimateria? Su teoría predecía que para cada partícula debería existir otra partícula espejo, con la misma masa, pero con cargas y spines opuestos. Si hay un electrón, debe existir un antielectrón (hoy conocido como positrón) al igual que la contrapartida de un protón es un antiprotón.

¿Qué es la antimateria? Así, si un átomo de hidrógeno está constituido por un protón y un electrón, el antihidrógeno estará compuesto por un positrón orbitando a un antiprotón.

¿Qué es la antimateria? Otro punto: si una partícula y una antipartícula se ponen en contacto, mutuamente se aniquilan, las cargas eléctricas desaparecen y sus masas se convierten completamente en energía.

¿Y entonces? La imaginación de los científicos y de los escritores se disparó imaginando antiátomos, antiseres, antiplanetas, antiestrellas y antigalaxias. El propio Dirac, al recibir el Premio Nobel de Física en 1932, especuló en su discurso con las posibilidades de los mundos de antimateria.

Masa y energía De acuerdo con la ecuación de Einstein E = m c², la creación de las partículas de materia/antimateria se realiza por parejas, a partir de la energía. El concepto energético de electrón-voltio, ev, es la energía que adquiere un electrón cuando se acelera a través de una diferencia de potencial de un volt. Un ev es del mismo orden que la energía típica que se libera en las reacciones químicas que ocurren entre átomos individuales y moléculas.

¿Qué significan estos números? Como comparación, un tubo de TV operando a 20.000 V crea un haz de electrones con una energía de 20 kev.

¿Qué significan estos números? Las tremendas energías de los reactores nucleares consiguen crear partículas en el rango de Mev. Las energías para la creación o destrucción de las parejas de partículas materia/antimateria son muy altas, suponen 1 Gev en el caso de electrón/positrón y 2 Gev en el de protón/antiprotón.

¿Cómo se descubrió la primera antimateria? Se descubrió que los rayos cósmicos procedentes del firmamento si poseen partículas con ese rango de energías tan altos. En los años 30, usando un detector de rayos cósmicos, el físico Carl Anderson del Instituto de Tecnología de California, Premio Nobel de Física de 1936, pudo caracterizar la presencia del primer positrón o antielectrón.

¿Cómo se descubrió? A mediados de los años 50, como consecuencia del proyecto Manhattan, se desarrollaron aceleradores de partículas, sincrotrones.

¿Cómo se obtuvo? En los laboratorios del CERN, en Ginebra, se obtuvieron ya en 1978 buenas cantidades de núcleos antideuterones, antitritios y antihelios, cuya aniquilación tenía lugar casi inmediatamente tras su detección.

Otra imagen del CERN

Obtención de la antimateria A finales de los 80 ya se habían desarrollado procedimientos capaces de producir y capturar numerosos antiprotones.

Entonces: ¿cuál era el problema? Era un proceso todavía muy caro y poco eficiente. De que de cada 100 antiprotones fabricados sólo se capturaba uno, aniquilándose los 99 restantes.

Otro problema: almacenamiento Una vez capturados, el problema es almacenarlos. Se hace mediante combinaciones de campos eléctricos y magnéticos.

Almacenamiento Hay dispositivos de poco tamaño relativo, donde se consigue guardar durante meses cantidades del orden de billones de antiprotones, con la única necesidad de mantenimiento proporcionada por una sencilla batería de 9 V.

Propulsión de naves: antimateria El viaje a sitios lejanos dentro del espacio requerirá unos sistemas de propulsión de alta energía. La solución estará en la creación de altos paquetes de energía materia-antimateria.

De nuevo las cifras La energía resultante del choque protón-antiprotón es por lo menos 100 veces la energía producida en una fisión o una fusión. 1 g de antihidrógeno al reaccionar con 1 g de hidrógeno produciría el equivalante en energía a 23 tanques de hidrógeno de un STS (transbordador espacial).

Necesidades Para efectuar exploraciones interestelares se requiere una velocidad de crucero aproximada de 0.5 c. De esta manera podríamos viajar a la estrella más cercana, Alfa Centauro en menos de 10 años.

¿Cómo alcanzar estas velocidades? Hay varias propuestas, una de ellas: materia-antimateria.

Requerimientos 17g de antihidrógeno. Hoja revestida con uranio. Unidad de almacenamiento de cristales de H2 barra. Fuente de alimentación alimentada por antiprotones. Instrumentos con masa de 10kg.

¿Cómo funciona? La antimateria incidente en la superficie de una hoja de uranio tiene un 98% de probabilidades de inducir un evento de fisión. Esto proporcionaría una energía de 190 MeV (la fisión, producto de la antimateria).

¿Dónde se almacena esta antimateria? El antihidrógeno es almacenado a 12 m. Es guardado en una matriz de pequeños chips. Estos chips están formados por grupos de celdas. Cada chip almacena 1.6*10 ^19 átomos de antihidrógeno. Si tenemos 2000 chips => 1.8*10 ^22 átomos => 9 kg de masa total.

¿Cómo genero la energía a bordo? Con antiprotones. Se asume que se requerirán 400W (como nave Voyager). Se necesitarán 2*10 ^14 antiprotones por segundo para conseguir esta potencia. La eficiencia de este diseño es de un 4.4%.

Producción de antiprotones El Fermi National Accelerator Laboratory es capaz de producir 10 ^11 antiprotones por hora. Si cada antiprotón generado en un año se conviritiera en antihidrógeno y se almacenara, se juntarían 4.5*10 ^14 átomos de antihidrógeno. Así, se generarían 400 W en dos segundos.

Fermi Lab

Limitaciones Actualmente, sólo somos capaces de producir antiprotones durante tasas de milisegundos. Se necesita incrementar en mucho estas tasas de producción de antiprotones.

¿Y entonces? Hay dos formas de incrementar esta tasa: 1.Poner más protones en la máquina de producción de antiprotones. Problemas: Sobrecalentamiento y alto precio de los aceleradores. 2.Incrementar la eficiencia en la producción de antiprotones. Actualmente, η = 1.5 antiprotones por c/ millón de protones.

Aumento de eficiencia Se planean cambios en los aceleradores que permitan aumentar en 10 000 veces las actuales tasas.

Bibliografía Gerald P. Jackson, Steve D. Howe, “Antimatter Driven Sail for Deep Space Missions”, Proceedings of 2003 Particle Accelerator Conference, pp 705-707, 2003. “Antimatter Propulsion”, Advanced Space Transportation. antimatterpropulsiontechsummary.pdf Richard A. Wallace, “Precursos Missions to Interstellar Exploration”, JPL Caltech, pp 413-415, 1999.

Bibliografía Particle Adventure, http://particleadventure.org/startstandards.html Space Transportation, Marshall Space Flight Center, http://astp.msfc.nasa.gov/review.html

Física moderna, noviembre 2004 Alberto Iglesias Darriba Matrícula: 993444 Disponible en http://www.alberto.com.mx Sección Tec de Monterrey copyright