El descubrimiento subatómico que los físicos consideraron mantener en secreto - - Las Ciencias - 2020

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Anonim

Partículas diminutas llamadas quarks del fondo podrían fusionarse en una reacción sorprendentemente poderosa

Un par de físicos anunciaron el descubrimiento de un evento subatómico tan poderoso que los investigadores se preguntaron si era demasiado peligroso hacerlo público.

¿El evento explosivo? El dúo demostró que dos pequeñas partículas conocidas como quarks del fondo podrían fusionarse teóricamente en un poderoso destello. El resultado: una partícula subatómica más grande, una segunda partícula de repuesto conocida como nucleón y todo un lío de energía que se derrama en el universo. Esta "quarksplosión" sería un análogo subatómico aún más poderoso de las reacciones de fusión nuclear individuales que tienen lugar en los núcleos de las bombas de hidrógeno.

Los quarks son partículas diminutas que generalmente se encuentran pegadas entre sí para formar los neutrones y protones dentro de los átomos. Vienen en seis versiones o "sabores": arriba, abajo, arriba, abajo, extraño y encantador.

Los eventos energéticos en el nivel subatómico se miden en megaelectronvolts (MeV), y cuando dos quarks del fondo se fusionan, los físicos encontraron que producen una friolera de 138 MeV. Eso es aproximadamente ocho veces más poderoso que uno de los eventos de fusión nuclear individuales que tienen lugar en bombas de hidrógeno (una explosión a gran escala consiste en miles de millones de estos eventos). Las bombas H fusionan los diminutos núcleos de hidrógeno conocidos como deuterones y tritones para crear núcleos de helio, junto con las explosiones más poderosas en el arsenal humano. Pero cada una de esas reacciones individuales dentro de las bombas solo libera alrededor de 18 MeV, según el Archivo de Armas Nucleares, un sitio web dedicado a recopilar investigaciones y datos sobre armas nucleares. Eso es mucho menos que la fusión de los quarks de fondo '138 MeV. Más allá de Higgs: 5 partículas evasivas que pueden estar al acecho en el universo

"Debo admitir que cuando me di cuenta por primera vez de que tal reacción era posible, me asusté", dijo el investigador Marek Karliner de la Universidad de Tel Aviv en Israel a Live Science. "Pero, por suerte, es un pony de un solo truco".

Por más poderosas que sean las reacciones de fusión, una sola instancia de fusión por sí sola no es en absoluto peligrosa. Las bombas de hidrógeno obtienen su enorme poder de las reacciones en cadena: la fusión en cascada de muchos y muchos núcleos a la vez.

Karliner y Jonathan Rosner, de la Universidad de Chicago, determinaron que tal reacción en cadena no sería posible con los quarks del fondo y, antes de publicar, compartieron su opinión con los colegas, quienes estuvieron de acuerdo.

"Si hubiera pensado por un microsegundo que esto tenía alguna aplicación militar, no lo habría publicado", dijo Karliner.

Para provocar una reacción en cadena, los fabricantes de bombas nucleares necesitan grandes reservas de partículas. Y una propiedad importante de los quarks del fondo hace que sea imposible almacenarlos: desaparecen de la existencia solo 1 picosegundo después de su creación, o en el tiempo que tarda la luz en viajar la mitad de la longitud de un solo grano de sal. Después de ese lapso de tiempo, se descomponen en un tipo de partícula subatómica mucho más común y menos energética, conocida como el quark up.

Según los científicos, podría ser posible generar reacciones de fusión únicas de quarks de fondo dentro de aceleradores de partículas de millas de largo. Pero incluso dentro de un acelerador, uno no podría reunir una masa lo suficientemente grande de quarks para hacer ningún daño en el mundo, dijeron los investigadores. Así que no hay que preocuparse por las bombas de quark bottom. 7 hechos extraños sobre los quarks

Sin embargo, el descubrimiento es emocionante porque es la primera prueba teórica de que es posible fusionar las partículas subatómicas de manera que liberen energía, dijo Karliner. Ese es un territorio completamente nuevo en la física de partículas muy pequeñas, hecho posible por un experimento en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, el enorme laboratorio de física de partículas cerca de Ginebra.

Así es como los físicos hicieron este descubrimiento.

En el CERN, las partículas giran alrededor de un anillo subterráneo de 17 millas de largo (27 kilómetros) a una velocidad cercana a la de la luz antes de chocar entre sí. Luego, los científicos usan poderosas computadoras para analizar los datos de esas colisiones, y algunas partículas extrañas a veces emergen de esa investigación. En junio, algo especialmente extraño apareció en los datos de una de esas colisiones: un barión "doblemente encantado", o un primo voluminoso del neutrón y el protón, compuesto por dos primos de los quarks "bottom" y "top". conocidos como "quarks" del encanto.

Ahora, los quarks charm son muy pesados ​​en comparación con los quarks up y down más comunes que forman protones y neutrones. Y cuando las partículas pesadas se unen, convierten una gran parte de su masa en energía de enlace, y en algunos casos, producen un montón de energía sobrante que se escapa al universo. Física loca: las pequeñas partículas más frescas de la naturaleza

Cuando se fundieron dos quarks de encanto, encontraron Karliner y Rosner, las partículas se unen con una energía de aproximadamente 130 MeV y escupen 12 MeV en energía sobrante (aproximadamente dos tercios de la energía de la fusión de deuteron-triton). Esa fusión encantada fue la primera reacción de las partículas en esta escala que se emitió para emitir energía de esta manera, y es el resultado principal del nuevo estudio, publicado el 1 de noviembre en la revista Nature.

La fusión aún más enérgica de dos quarks del fondo, que se unen con una energía de 280 MeV y escupen 138 MeV cuando se fusionan, es la segunda y más poderosa de las dos reacciones descubiertas.

Hasta ahora, estas reacciones son totalmente teóricas y no se han demostrado en un laboratorio. Ese próximo paso debería venir pronto sin embargo. Karliner dijo que espera ver los primeros experimentos que muestran esta reacción en el CERN en los próximos dos años.

Nota del editor: Este artículo se actualizó para corregir una declaración que dice que los quarks top forman neutrones y protones. Los quarks arriba y abajo forman protones y neutrones.

Publicado originalmente en Live Science.

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