Tendencias Científicas
Los investigadores. Foto: CERN.
En un artículo publicado en la revista Science, el experimento ASACUSA del laboratorio europeo de física de partículas (CERN) informa de una nueva medida de precisión de la masa del antiprotón en relación con la del electrón.
El resultado se basa en medidas espectroscópicas realizadas sobre unos 2.000 millones de átomos de helio antiprotónico enfriados hasta temperaturas extremas de 1,5 a 1,7 grados por encima del cero absoluto.
En estos átomos, un antiprotón se sitúa en el lugar de uno de los electrones que normalmente orbita el núcleo. Este tipo de medidas proporciona una herramienta única para comparar la masa de la partícula de antimateria con su contraparte de materia con alta precisión. Ambas deben ser idénticas.
Las partículas de materia y antimateria son siempre producidas como un par en las colisiones de partículas. Partículas y antipartículas tienen la misma masa y carga eléctrica opuesta. El positrón, que tiene carga positiva, es un anti-electrón, la antipartícula del electrón que tiene carga negativa.
Los positrones se observaron ya en los años 30, tanto en colisiones naturales provocadas por rayos cósmicos como en los aceleradores de partículas. Hoy día se usan en los dispositivos de imagen PET de los hospitales.
Sin embargo, estudiar estas partículas con gran precisión sigue siendo un reto porque cuando la materia y la antimateria se unen, ambas se aniquilan desapareciendo en un destello de energía.
El resultado se basa en medidas espectroscópicas realizadas sobre unos 2.000 millones de átomos de helio antiprotónico enfriados hasta temperaturas extremas de 1,5 a 1,7 grados por encima del cero absoluto.
En estos átomos, un antiprotón se sitúa en el lugar de uno de los electrones que normalmente orbita el núcleo. Este tipo de medidas proporciona una herramienta única para comparar la masa de la partícula de antimateria con su contraparte de materia con alta precisión. Ambas deben ser idénticas.
Las partículas de materia y antimateria son siempre producidas como un par en las colisiones de partículas. Partículas y antipartículas tienen la misma masa y carga eléctrica opuesta. El positrón, que tiene carga positiva, es un anti-electrón, la antipartícula del electrón que tiene carga negativa.
Los positrones se observaron ya en los años 30, tanto en colisiones naturales provocadas por rayos cósmicos como en los aceleradores de partículas. Hoy día se usan en los dispositivos de imagen PET de los hospitales.
Sin embargo, estudiar estas partículas con gran precisión sigue siendo un reto porque cuando la materia y la antimateria se unen, ambas se aniquilan desapareciendo en un destello de energía.
Nuevo enfoque
El Decelerador Antiprotón del CERN es una instalación única que proporciona haces de antiprotones de baja energía a los experimentos para el estudio de la antimateria. Para realizar medidas con estos antiprotones, los experimentos los atrapan durante largos periodos usando instrumentos magnéticos.
ASACUSA utiliza un enfoque distinto, puesto que el experimento puede crear átomos ‘híbridos’ hechos de una mezcla de materia y antimateria: son los átomos de helio antiprotónico, formados por un antiprotón y un electrón que orbita el núcleo.
Se forman mezclando antiprotones con gas helio. En esta mezcla, alrededor del 3% de los antiprotones está en órbita alrededor del núcleo de helio y se encuentra protegido por la nube de electrones que rodea todo el átomo, lo que hace del helio antiprotónico lo suficientemente estable para realizar medidas de precisión.
La medida de la masa del antiprotón se realizó mediante espectroscopía, haciendo brillar un láser en el helio antiprotónico. Al ajustar el láser a la frecuencia adecuada, los antiprotones realizan un ‘salto cuántico’ dentro de los átomos. A partir de esta frecuencia, se puede calcular la masa relativa del antiprotón respecto de la del electrón. La colaboración ASACUSA ha usado previamente este método para medir con gran precisión la masa del antiprotón. Sin embargo, el movimiento microscópico de los átomos de helio antiprotónico introducía una fuente importante de imprecisión en las medidas previas.
El avance más importante de la colaboración, del que se informa en Science, es que el experimento ASACUSA ha logrado ahora enfriar los átomos de helio antiprotónico a temperaturas cercanas al cero absoluto suspendiéndoles en un gas inerte de helio muy frío.
De esta forma, el movimiento microscópico de los átomos se reduce, permitiendo la precisión de la medida de la frecuencia. La medida de la frecuencia de transición se ha mejorado en un factor 1,4 a 10 comparada con experimentos anteriores. Las pruebas se realizaron de 2010 a 2014 con unos 2.000 millones de átomos, lo que se corresponde con apenas 17 femtogramos de helio antiprotónico.
Misma masa
De acuerdo con las teorías vigentes, protones y antiprotones deben tener exactamente la misma masa. Hasta ahora no se han encontrado diferencias entre ambas, pero mejorar los límites de la precisión de esta comparación es muy importante para comprobar principios teóricos clave como la simetría CPT, que se cree debe ser la misma para todos los fenómenos físicos.
Una mínima ruptura de esta simetría podría proporcionar una evidencia de por qué la antimateria formada tras el Big Bang parece haber desaparecido.
La colaboración ASACUSA confía en ser capaz de mejorar aún más la precisión de la masa del antiprotón usando dos haces láser. En el futuro próximo, el comienzo de la instalación ELENA en el CERN permitirá también mejorar la precisión de este tipo de medidas.
El Decelerador Antiprotón del CERN es una instalación única que proporciona haces de antiprotones de baja energía a los experimentos para el estudio de la antimateria. Para realizar medidas con estos antiprotones, los experimentos los atrapan durante largos periodos usando instrumentos magnéticos.
ASACUSA utiliza un enfoque distinto, puesto que el experimento puede crear átomos ‘híbridos’ hechos de una mezcla de materia y antimateria: son los átomos de helio antiprotónico, formados por un antiprotón y un electrón que orbita el núcleo.
Se forman mezclando antiprotones con gas helio. En esta mezcla, alrededor del 3% de los antiprotones está en órbita alrededor del núcleo de helio y se encuentra protegido por la nube de electrones que rodea todo el átomo, lo que hace del helio antiprotónico lo suficientemente estable para realizar medidas de precisión.
La medida de la masa del antiprotón se realizó mediante espectroscopía, haciendo brillar un láser en el helio antiprotónico. Al ajustar el láser a la frecuencia adecuada, los antiprotones realizan un ‘salto cuántico’ dentro de los átomos. A partir de esta frecuencia, se puede calcular la masa relativa del antiprotón respecto de la del electrón. La colaboración ASACUSA ha usado previamente este método para medir con gran precisión la masa del antiprotón. Sin embargo, el movimiento microscópico de los átomos de helio antiprotónico introducía una fuente importante de imprecisión en las medidas previas.
El avance más importante de la colaboración, del que se informa en Science, es que el experimento ASACUSA ha logrado ahora enfriar los átomos de helio antiprotónico a temperaturas cercanas al cero absoluto suspendiéndoles en un gas inerte de helio muy frío.
De esta forma, el movimiento microscópico de los átomos se reduce, permitiendo la precisión de la medida de la frecuencia. La medida de la frecuencia de transición se ha mejorado en un factor 1,4 a 10 comparada con experimentos anteriores. Las pruebas se realizaron de 2010 a 2014 con unos 2.000 millones de átomos, lo que se corresponde con apenas 17 femtogramos de helio antiprotónico.
Misma masa
De acuerdo con las teorías vigentes, protones y antiprotones deben tener exactamente la misma masa. Hasta ahora no se han encontrado diferencias entre ambas, pero mejorar los límites de la precisión de esta comparación es muy importante para comprobar principios teóricos clave como la simetría CPT, que se cree debe ser la misma para todos los fenómenos físicos.
Una mínima ruptura de esta simetría podría proporcionar una evidencia de por qué la antimateria formada tras el Big Bang parece haber desaparecido.
La colaboración ASACUSA confía en ser capaz de mejorar aún más la precisión de la masa del antiprotón usando dos haces láser. En el futuro próximo, el comienzo de la instalación ELENA en el CERN permitirá también mejorar la precisión de este tipo de medidas.
Referencia
Buffer-gas cooling of antiprotonic helium to 1.5 to 1.7 K, and antiproton-to–electron mass ratio. Masaki Hori et alia. Science 04 Nov 2016: Vol. 354, Issue 6312, pp. 610-614. DOI: 10.1126/science.aaf6702
Buffer-gas cooling of antiprotonic helium to 1.5 to 1.7 K, and antiproton-to–electron mass ratio. Masaki Hori et alia. Science 04 Nov 2016: Vol. 354, Issue 6312, pp. 610-614. DOI: 10.1126/science.aaf6702
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Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica
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