Materia y antimateria confirman su simetría

Investigadores de la colaboración ALPHA basada en la Organización Europea para la investigación nuclear (CERN), han obtenido una demostración fundamental de la simetría entre la materia y la antimateria.

La colaboración ALPHA, especializada en estudiar las simetrías fundamentales entre la materia y la antimateria, ha publicado un artículo en la revista Nature en el que anuncia que ha observado un fenómeno conocido como Efecto Lamb en el átomo del antihidrógeno.

Este descubrimiento es consistente con lo que ya se había comprobado en el hidrógeno, el átomo más simple de todos, así como con lo que se había predicho sobre el antihidrógeno, una partícula más compleja que su correspondiente de materia.

De vuelta a 1947

Para entender un poco mejor lo que significa este hallazgo hay que retroceder en el tiempo hasta 1947, cuando en la conferencia  Shelter Island (Nueva York) sobre los fundamentos de la mecánica cuántica, el físico Willis Lamb informó de una característica inesperada en la constante de estructura fina del hidrógeno atómico.

Se trataba de  una pequeña diferencia observada en la energía asociada a dos niveles de energía diferentes en el átomo de hidrógeno.

Esta diferencia, aparentemente irrelevante, fue fundamental en la evolución de la física moderna y potenció la investigación sobre la electrodinámica cuántica, que es la teoría cuántica del campo electromagnético.

La electrodinámica cuántica ha sido considerada la “joya” de la física, porque es capaz de hacer predicciones de ciertas magnitudes físicas con una precisión inédita respecto a teorías físicas anteriores. Todo gracias al Efecto Lamb.

Aunque la electrodinámica cuántica también se ha adentrado en la antimateria, hasta ahora ha sido complicado sintetizar y atrapar antimateria atómica para conocer su estructura. Y es aquí donde el resultado anunciado por el CERN tiene su mayor relevancia.

Creando antimateria

Para alcanzar este resultado, lo primero que hicieron los investigadores fue crear átomos de antihidrógeno.

Lo consiguieron uniendo antiprotones provistos por el Antiproton Decelerator del CERN con antielectrones, comúnmente conocidos como "positrones".

Esos átomos de antihidrógeno se encerraron en una trampa magnética en la que se había creado el bajo ultravacío (el vacío que se produce a una presión muy baja), para evitar que entrasen en contacto con la materia circundante y fueran aniquilados.

A continuación enviaron luz láser sobre los átomos de antihidrógeno atrapados, y consiguieron medir la respuesta espectral de estas partículas de antimateria.

Gracias a esta observación, los científicos pudieron medir en la antimateria algunos efectos cuánticos de la materia, como la constante de estructura fina, que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética, y el citado Efecto Lamb.

Simetría confirmada

Es la primera vez que se miden estos efectos cuánticos de la materia en el átomo de antihidrógeno. La colaboración ALPHA  ya había utilizado con anterioridad este método para medir otros efectos cuánticos en el antihidrógeno, como la línea Lyman-alfa, una línea espectral de hidrógeno.

La constante de estructura fina se midió en hidrógeno atómico hace más de un siglo y permitió la introducción de una constante fundamental en la naturaleza correspondiente a la intensidad de la interacción electromagnética entre partículas elementales cargadas eléctricamente.

La nueva investigación ha comprobado que esa constante de estructura fina también está en los átomos de antihidrógeno y proporciona una prueba contundente de la simetría fundamental que existe en la naturaleza, ya se exprese en forma de materia o de antimateria.

Puede que los efectos cuánticos observados en la antimateria desencadenen un efecto en el desarrollo de la física similar a lo que supuso su descubrimiento en los átomos de materia.

Referencia

Investigation of the fine structure of antihydrogen. The ALPHA Collaboration. Nature, volume 578, pages 375–380(2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2006-5