La antimateria puede medirse de la misma forma que la materia

Investigadores del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) han conseguido la medida directa más precisa jamás lograda de la antimateria, que revela por primera vez la estructura espectral del átomo de anti-hidrógeno.

El resultado, publicado en la revista Nature, culmina tres décadas de investigaciones y abre una nueva era en las medidas de alta precisión de las diferencias entre materia y antimateria, informa el CERN en un comunicado.

Los investigadores analizaron cerca de 15.000 átomos de anti-hidrógeno, atrapados magnéticamente en un volumen cilíndrico de 280 mm de largo y con un diámetro de 44 mm, durante 10 semanas.

Así descubrieron que la frecuencia de resonancia o máxima oscilación de la transición 1S-2S para el antihidrógeno coincide con la frecuencia esperada para esta misma transición en su homólogo de la materia, el hidrógeno, con una precisión de dos partes en un billón. Eso significa, según los investigadores, que la antimateria se puede medir prácticamente de la misma forma que la materia.

La así llamada transición 1S-2S mide la frecuencia de la transición electrónica entre el estado de la energía más débil y el primer estado excitado del anti-hidrógeno, entre los átomos de la antimateria al pasar de un estado fundamental a otro excitado.

Dos frecuencias láser

Para obtener estas medidas, se utilizaron dos frecuencias láser: una correspondiente a la frecuencia de la transición 1S-2S en el hidrógeno, la otra derivada de la primera. A continuación se contabilizó la cantidad de átomos escapados de la trampa que suponen las interacciones entre el láser y los átomos atrapados.

El resultado supone un progreso de la espectroscopia del anti-hidrógeno al utilizar no una, sino muchas frecuencias láser, con frecuencias ligeramente más altas y ligeramente inferiores a la frecuencia de transición 1S-2S en el hidrógeno.

Esto ha permitido medir la forma espectral, o dispersión de colores, de esa transición 1S-2S en el hidrógeno y medir al mismo tiempo su frecuencia. La precisión obtenida en la medición supera en 100 veces la medida realizada por el mismo equipo, conocido como la Colaboración Alpha, en 2016, cuando este mismo equipo observó por primera vez el espectro de la luz de la antimateria, tal como informamos en otro artículo.

Cambio de paradigma

Hace 30 años que los investigadores perseguían este resultado, que finalmente se ha conseguido. La precisión obtenida de la antimateria del hidrógeno es todavía inferior a la conseguida con el hidrógeno, pero se equiparará pronto, señalan los científicos.

Añaden que esta precisión, obtenida merced a la tecnología aplicada, supone un cambio de paradigma en la física fundamental.

El átomo de hidrógeno, que comprende un único electrón en órbita alrededor de un solo protón, ocupa una parte esencial de la física fundamental y está en la base de la representación atómica moderna.

Su espectro se caracteriza por una serie de líneas espectrales bien conocidas en ciertas longitudes de onda, correspondientes a la emisión de fotones de una frecuencia (o color) dada en el momento en el que los electrones pasan de una órbita a otra.

Las medidas del espectro del hidrógeno y del anti-hidrógeno conseguidas se corresponden con las predicciones teóricas y el hecho de haber encontrado pequeñas diferencias entre las medidas de ambas permitirá consolidar los fundamentos del modelo estándar de la física de partículas y, eventualmente, comprender mejor por qué el universo está casi íntegramente constituido de materia, a pesar de que materia y antimateria se produjeron en cantidades iguales cuando se produjo el Big Bang.

Referencia

Characterization of the 1S–2S transition in antihydrogen.  Ahmadi, B. X. R. Alves, […]J. S. Wurtele. Nature (2018). doi:10.1038/s41586-018-0017-2