ADA 1.2 Antimateria y sus aplicaciones - Emilio Vera PDF

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Resumen sobre la antimateria y sus multiples aplicaciones...

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Universidad Autónoma de Yucatán

Facultad de Ingeniería

QUIMICA

ADA 1.2 Antimateria

Grupo D

Docente: Dra. María del Carmen Ponce Caballero

Alumno: Jesús Emilio Vera Caamal

Fecha de entrega: 15/marzo/2021 Índice: 1

Índice…………………………………………………………………………………………………...2 Introducción……………………………………………………………………………………………3 Contenido: Antimateria…………………………………………………………………………………………….4 La ecuación más bonita………………………………………………………………………………4 Bariogénesis…………………………………………………………………………………………...5 Usos de la antimateria………………………………………………………………………………...6 Pioneros en la producción de átomos antimateria…………………………………………………6 Trampa iónica…………………………………………………………………………………………..7 Materia oscura………………………………………………………………………………………….8 Conclusiones……………………………………………………………………………………………10 Referencias………………………………………………………………………………………………11

Introducción:

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La antimateria está llamada a marcar el siguiente salto de la humanidad. La física ha descubierto la existencia de otra versión de la materia común que constituye todo lo que conocemos, cada partícula tiene un parecido en el mundo de la antimateria, es decir, una antipartícula. Ambas comparten algunas características, como el tamaño o la masa, pero otras son completamente opuestas, como en su carga eléctrica. Estas diferencias podrían inadvertidas y permitir que materia y antimateria convivieran sin ninguna dificultad, lamentablemente cuando ambas se encuentran se aniquilan mutuamente liberando una gran cantidad de energía, tan enorme que bastaría con unos pocos gramos para abastecer el consumo energético de todo el planeta durante un día. Este fenómeno convierte a la antimateria en una sustancia muy especial y, sin ninguna duda, en la fuente de energía más efectiva que pueda existir, pero también hace que sea una sustancia muy escasa en el universo. A pesar de su potencial, la casi inmediata aniquilación de una antipartícula al entrar en contacto con su partícula dificulta demasiado su estudio, almacenaje y utilización de la antimateria, al igual de que la convierte en una sustancia potencialmente muy peligrosa. Aún hay muchos retos para su dominio en totalidad, hay que conocer a detalle sus características físicas y desarrollar técnicas de producción y almacenamiento que garanticen niveles de seguridad confiables, para que en un futuro tengamos acceso a muchas aplicaciones.

Antimateria

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La antimateria está compuesta de lo que se llama antipartículas, este tipo de partículas son idénticamente iguales a las que conocemos, pero con una diferencia, su carga eléctrica es opuesta, por ejemplo, la antipartícula del electrón, es una partícula cuya carga eléctrica es negativa llamada positrón, que es igual excepto que su carga eléctrica es igual y positiva. Un dato increíble e interesante es la de los pares partícula-antipartícula que tienen una propiedad fascinante. Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran y chocan, éstas se aniquilan, desaparecen, dando lugar únicamente a un flash de luz.

Imagen 1(Choque particula-antiparticula) “La ecuación más bonita”

Ésta es la ecuación de Dirac que, gracias a esto es posible describir el fenómeno de entrelazamiento cuántico, que en la práctica dice que: ‘Si dos sistemas interactúan uno con el otro durante un cierto período de tiempo y luego se separan, lo podemos describir como dos sistemas separados, pero de alguna manera sutil están convertidos en un solo sistema. Uno de ellos sigue influyendo en el otro, a pesar de kilómetros de distancia o años luz’. Esto es el entrelazamiento cuántico o conexión cuántica, donde dos partículas que en algún momento estuvieron unidas, siguen estando de algún modo relacionadas. No importa la distancia entre ambas, aunque se encuentren en extremos opuestos del universo, la conexión entre ellas es instantánea. Para formular esta ecuación, Dirac juntó dos de las ideas más importantes de la ciencia: la mecánica cuántica (la ecuación de Schrödinger) que describe el comportamiento de objetos

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muy pequeños, y la teoría de la relatividad de Einstein, que describe el comportamiento de objetos en movimiento rápido. Entonces, la ecuación de Dirac que en palabras simples describe cómo las partículas como electrones se comportan cuando viajan a casi la velocidad de la luz, también describe de forma natural el spin y predice la existencia de antimateria. Bariogénesis La bariogénesis es el término utilizado para referirse a los hipotéticos procesos físicos que produjeron una asimetría entre bariones y anti-bariones durante los primeros instantes de la formación del universo, resultando en cantidades elevadas de materia ordinaria residual en el universo hoy en día. Las teorías de bariogénesis más importantes son la bariogénesis electrodébil y la bariogénesis de GUT que emplean sub-disciplinas de la física, como la teoría cuántica de campos y la física estadística, para tratar de describir estos posibles mecanismos, la diferencia fundamental entre las teorías de bariogénesis está en la descripción que hacen de las interacciones entre partículas fundamentales. Imagen 2 (Creación del Universo) El paso siguiente a la bariogénesis es la nucleosíntesis primordial la cual está mucho mejor entendida y explica la formación de núcleos atómicos ligeros.

Usos de la antimateria

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La antimateria aún no posee demasiados usos prácticos en las industrias humanas, debido a sus altísimos costos y a la avanzada tecnología que implica su producción y manejo. Sin embargo, ciertas aplicaciones son ya una realidad. Por ejemplo, se realizan tomografías por emisión de positrones (PET), lo cual ha sugerido que el uso de antiprotones en el tratamiento del cáncer es posible y quizá más efectivo que las técnicas actuales con protones (radioterapias). Imagen 3 (Tomografía) Sin embargo, la principal aplicación de la antimateria es como fuente de energía. Según las ecuaciones de Einstein, la aniquilación de materia y antimateria libera tanta energía que un kilo de materia/antimateria aniquilándose sería diez mil millones de veces más productiva que cualquier reacción química y diez mil veces más que la fisión nuclear. Si se logra controlar y aprovechar estas reacciones, sería una gran innovación para todas las industrias e incluso el transporte. Por ejemplo, con diez miligramos de antimateria podría impulsarse una nave espacial hasta Marte. Pioneros en la producción de átomos de antimateria La Teoría de Dirac se confirmó en 1932, cuando se descubrieron positrones en la interacción entre los rayos cósmicos y la materia ordinaria. Desde entonces se ha observado el aniquilamiento mutuo de un electrón y un antielectrón. Su encuentro constituye un sistema conocido como positronium, de vida media nunca superior a los 10-10 o 10-7 segundos. Posteriormente, en el acelerador de partículas de Berkeley (California, 1955) se logró producir antiprotones y antineutrones mediante colisiones atómicas de alta energía,

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siguiendo la fórmula de Einstein de E = m.c2 (energía es igual a masa por la velocidad de la luz al cuadrado). Imagen 4(Átomos de antimateria) De un modo semejante, en 1995 se obtuvo el primer antiátomo gracias a la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN). Estos físicos europeos lograron crear un átomo de antimateria de hidrógeno o antihidrógeno, constituido por un positrón orbitando un antiprotón. Trampa iónica La respuesta está en los campos electromagnéticos. Algunos dispositivos como una trampa de Penning, más conocidas en español como trampas iónicas, permiten usarlos para crear una zona "muerta" en el centro donde es posible almacenar antimateria. ¿Por qué desaparece la antimateria entonces? Principalmente porque es muy inestable, ya que la mayoría Imagen 5 (Modelo de trampa ionica) de antipartículas se destruyen en nanosegundos. Las trampas iónicas son la manera más común de almacenar no sólo antimateria sino también los qubits utilizados en la computación cuántica. Aunque son efectivas, parece que por el momento estamos muy lejos de que la antimateria sea considerada una opción válida tanto por su coste como por lo complicado que es manipularla.

Materia oscura La materia oscura apareció para la mayoría de los científicos en 1974, gracias a las observaciones de la astrónoma estadounidense

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Vera Rubin, quien notó que las estrellas que orbitan alrededor de los agujeros negros en el centro de las galaxias en espiral como la nuestra lo hacen a la misma velocidad, independientemente de la distancia a la que se encuentran del centro. Imagen 6 (Materia oscura) Esto no debería ocurrir, y no pasa aparentemente en sistemas comparables como nuestro Sistema Solar, en el que la velocidad de los planetas atrapados por la gravedad de la órbita solar se ralentiza cuanto más lejos se encuentran de la estrella, Neptuno, por ejemplo, demora 165 años terrestres en dar una vuelta al Sol, esto es lo que nuestro entendimiento de la gravedad nos dice que debería ocurrir. Las estrellas observadas por Rubin moviéndose a la misma velocidad fueron una sorpresa porque tenía que haber algo más allí que provea más gravedad-de lo que podemos ver. La materia oscura, entonces, es un término genérico para eso (materia) que debe estar allí, pero que no podemos ver (oscura). Pero los científicos, realmente, no saben qué es. Esto no quiere decir que no se haya progresado en el tema, se cree ahora que la materia oscura no es sencillamente materia ordinaria formada por gas y polvo de estrellas muertas que es oscura sólo porque no brilla. Hay un consenso en que es un miasma (aún no identificado) de partículas fundamentales como los quarks y los gluones que conforman los átomos con los que estamos mucho más familiarizados. Estas partículas "oscuras" fundamentales se conocen como WIMP, siglas en inglés de Weakly Interacting Massive Particles, que en español podría traducirse como Partículas Masivas que Interactúan Débilmente. Imagen 7 (WIMP) Este acrónimo, como el término "materia oscura", es una descripción de cómo estas criaturas teóricas se comportan más que una definición de lo que son.

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Lo de la interacción débil se refiere a que no tienen mucho que ver con la materia ordinaria, como la atraviesa es muy difícil detectarla, ya que la materia ordinaria es todo lo que tenemos para hacerlo, lo de masivas significa simplemente que tienen masa. No tiene nada que ver con su tamaño y partículas a falta de una mejor definición significa cosa. La materia oscura también desempeña un papel central en la formación de estructuras y la evolución de galaxias y tiene efectos medibles en la anisotropía de la radiación de fondo cósmico de microondas. Todas estas pruebas sugieren que las galaxias, los cúmulos de galaxias y todo el Universo contendría mucha más materia que la que interactúa con la radiación electromagnética: lo restante es llamado "el componente de materia oscura". ¿De qué está compuesta la materia oscura? La materia oscura está compuesta por partículas que no absorben, reflejan, o emiten luz, por lo tanto, no pueden ser detectada por observación de la radiación electromagnética. La materia oscura es un material que no puede ser visto directamente. Sabemos que la materia oscura existe debido a los efectos que produce sobre objetos que sí podemos observar directamente. Pero al parecer, un 27% del universo, o cerca de un cuarto, está compuesto de esa cosa extraña. En conjunto, la energía oscura y la materia oscura componen el 95% del universo. Eso es casi todo el universo. Eso quiere decir que lo que nosotros conocemos y comprendemos es tan solo un 5%. La energía como la luz, el calor y los rayos X, junto con la materia, las personas, los elefantes, el planeta Tierra, el sol y todas las galaxias son solo un 5% del universo. Conclusiones: Me pareció muy interesante y sorprendente realmente de que el ser humano esta en constante aprendizaje sobre cosas que hace algunos años no sabían de la existencia de una fuerza prácticamente invisible, siempre esta tratando de explicar el porque de las cosas, es cierto que hoy en día estos temas están fuera del entendimiento del ser humano, puede que tarden muchos años en descubrir que es la antimateria en su totalidad, quizás algún día el ser humano pueda manipularla en bien de la humanidad y sea un paso significativo para nuevas tecnologías o nuevas eras, es verdad que el tema es algo confuso en ocasiones, se puede notar la complejidad del tema, pero a la vez es intrigante y te hace reflexionar sobre que más

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habrá en el universo, ya que como encontré en la investigación, apenas se conoce un 5% que aun no se comprenden muchas cosas.

Referencias: María Estela Raffino. (2020) Concepto de antimateria. Recuperado de: https://concepto.de/antimateria/. Abraham Zacut. (20 de junio de 2017) La ecuación mas bonita. Recuperado de: https://vasoscomunicantes.blog/2017/07/20/la-ecuacion-mas-bonita/ Peter Leonard (23 de marzo de 2015) Que es materia oscura y para qué sirve (BBC). Recuperado de: https://www.bbc.com/mundo/noticias/2015/03/150320_materia_oscura_colisionador_hadrones_l p

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