Antimateria atrapada por primera vez

Físicos pertenecientes a la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra, Suiza, han logrado captura antihidrógeno – el equivalente de antimateria del átomo de hidrógeno – un logro que muy pronto podría dar lugar a experimentos con una forma de materia que desapareció misteriosamente poco después de la nacimiento del universo hace 14 billones de años.

La primera producción de energía artificial bajos átomos de antihidrógeno – que consisten en un positrón o electrón antimateria, orbitando un núcleo antiprotón – fueron creados en el CERN en 2002, pero hasta ahora los átomos al interactuar con la materia normal se aniquilaban rápidamente en un destello de rayos gamma  microsegundos después de su creación.

El experimento ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus), una colaboración internacional que incluye a físicos de la Universidad de California en Berkeley y del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), ha atrapado 38 átomos de antihidrógeno, cada uno durante más de una décima de segundo .

Mientras que el número y la duración son insuficiente para amenazar el Vaticano, tal y como se narraba en la novela de 2000 “Ángeles y Demonios”, dónde una cuba oculta de anti-hidrógeno potencialmente explosivo era enterrada bajo la Basílica de San Pedro en Roma, y se trata del punto de partida para nuevos conocimientos sobre física, dijeron los investigadores.

“Nos estamos acercando al punto en el que podemos hacer alguna clases concreta de experimentos sobre las propiedades del anti-hidrógeno“, dijo Joel Fajans, profesor de física de la UC de Berkeley, científico profesor del y miembro del equipo Alpha. “Al principio, estos serán experimentos a prueba de simetría CPT, pero como nadie ha sido capaz de hacer este tipo de medidas en los átomos de antimateria del todo, es un buen comienzo.“

La  simetría CPT, carga-paridad-tiempo, es la hipótesis en que las interacciones físicas tienen el mismo aspecto, si se le da la vuelta a la carga de todas las partículas, cambia su paridad – es decir, invierten sus coordenadas en el espacio – y el tiempo. Las diferencias entre el anti-hidrógeno y el hidrógeno, como su espectro atómico, automáticamente violan la CPT, derrocándo al actual “modelo estándar” de partículas y sus interacciones, y puede explicar por qué la antimateria, creada en cantidades iguales durante el nacimiento del universo, está en gran medida ausente en la actualidad .

Los resultados del equipo serán publicados online el 17 de noviembre antes de su aparición impresa en la revista británica Nature.

El primero en predecir la antimateria fue el físico Paul Dirac en 1931, y se define por tener la carga opuesta a la materia normal y se aniquila por completo en un destello de energía en interacción con la materia ordinaria. Aunque los astrónomos no ven evidencias significativas de ésta aniquilación de antimateria en el espacio, la antimateria se produce durante las interacciones de partículas de alta energía en la tierra y en algunos decaimientos de los elementos radiactivos. Los físicos Emilio Segre y Owen Chamberlain de la UC en Berckely, han creado antiprotones en el acelerador Bevatron del Laboratorio de Radiación Lawrence, ahora LBNL, en 1955, lo que confirma su existencia y ganaron gracias a ello el Premio Nobel de física en 1959.

El antihidrógeno lento se produjo en el CERN en 2002 gracias a un desacelerador de antiprotones que se desaceleró antiprotones suficientes para que pudieran ser utilizados en  experimentos que los combinaban con una nube de positrones. El experimento ATHENA, informó de la primera detección de anti-hidrógeno frío, con el experimento rival ATRAP quedando atrás en la carrera.

El experimento ATHENA cerró en 2004, para ser sustituido por ALPHA, coordinado por Jeffrey Hangst de la Universidad de Aarhus en Dinamarca. Desde entonces, los equipos ALPHA y ATRAP han competido por atarpar el antihidrógeno  antes en determinados experimentos, en particular experimentos con láser, para medir el espectro del anti-hidrógeno (el color con el que brilla) – y realizar mediciones de su gravedad. Antes de los recientes resultados, los experimentos del CERN había producido fugazmente decenas de millones de átomos de antihidrógeno, dijo Fajans.

El enfoque de ALPHA fue para enfriar antiprotones y comprimirlos en una gran nube de fósforo (de 20 milímetros de largo y 1,4 milímetros de diámetro). Entonces,  utilizando autoresonancia, una técnica desarrollada en la Universidad de Berkeley por el profesor Lazar Friedland, Fajans y el estudiante graduado Erik Gibson  exploraron  por primera vez los plasmas de la nube fría, y se le dio al comprimido de antiprotones un empujón para conventirla en un tamaño similar a una nube de de positrones, donde las partículas compañero de dos formaron antihidrógeno.

Todo esto ocurre dentro de una botella magnética que atrapa los átomos de antihidrógeno. La trampa magnética es un campo magnético especialmente configurado, que Fajans y a después el postgraduado de la Universidad de Berkeley Andrea Schmidt propusieron por primera vez, utilizando un inusual y costoso imán octopolar superconductor para crear plasma más estable.

“Por el momento, seguimos átomos de antihidrógeno en torno a por lo menos 172 milisegundos – cerca de una sexta parte de un segundo – el tiempo suficiente para asegurarse de que los hemos atrapado”, dijo Jonathan Wurtele, profesor de física en la UC de  Berkeley y científico del LBNL. Wurtele ha colaborado en el experimento con Katia Gomberoff, Alex Friedman, David Grote, Jean-Luc  Val y Fajans, para simular las nuevas configuraciones magnéticas.

Capturar antihidrógeno  no es fácil, dijo Fajans, porque es una partícula neutra, o sin carga. Las botellas magnéticas son generalmente utilizadas para atrapar partículas con carga, como átomos ionizados. Estas partículas cargadas giran a lo largo de las líneas de campo magnético hasta que encuentran un campo eléctrico que los empuja a rebotar hacia el interior de la botella.

El antihidrógeno neutral, sin embargo, normalmente no se vería afectado por estos campos. Pero el equipo se aprovechó del momento magnético del pequeño átomo de antihidrógeno para atraparlo con un campo de fuerte aumento – llamado espejo magnético- que refleja las partículas hacia atrás. Debido a que el momento magnético es tan pequeño, el anti-hidrógeno tiene que estar muy frío: menos de la mitad de un grado sobre el cero absoluto (0,5 grados Kelvin). Eso significa que el equipo tuvo que retrasar los antiprotones en un factor de cien billones de veces la energía inicial con que salen del desacelerador de antiprotónes.

Una vez atrapado, los experimentadores realizan un barrido de los antiprotones persistentes con un campo eléctrico, a continuación, cierran los campos espejo y dejan que los átomos de antihidrógeno atrapados se aniquilen con la materia ordinaria. Los detectores de alrededor son sensibles a los piones cargados que resultan de la aniquilación protón-antiprotón. Los rayos cósmicos también pueden desencadenar el detector, pero sus huellas en línea recta se pueden distinguir fácilmente. Sólo unos pocos antiprotones podrían permanecer en la trampa, y su aniquilación sería similar a las del anti-hidrógeno, pero las simulaciones de los físicos muestran que estos factores también pueden distinguirse de aniquilaciones de antihidrógeno.

Durante agosto y septiembre de 2010, el equipo detectó un átomo de antihidrógeno en 38 de los 335 ciclos de inyección de antiprotones. Dado que la eficacia del detector es de aproximadamente el 50%, el equipo calculó que se detectaron aproximadamente 80 en los millones de los producidos durante estos ciclos. Los experimentos del año 2009 presentaron seis átomos de antihidrógeno candidatos, pero no se han confirmado.

ALPHA continúa detectando átomos de antihidrógeno a un ritmo creciente y los aprenden a ajustar mejor su experimento cada vez, dijo Fajans.

Más información en Nature.

Vídeo entrevista a Jeffrey Hangst.

Autor: Katie Bertsche

Enlace original: Antihydrogen trapped for first time