Método de enfriamiento de anti-materia con un láser

Un método por enfriamiento láser de átomos de anti-hidrógeno magnéticamente atrapados a temperaturas de alrededor de 20 millikelvin ha sido propuesto por un equipo de investigadores de Canadá y los EE.UU..

El equipo afirma que el enfriamiento del antihidrógeno los haría mucho más estables y por lo tanto más fáciles de estudiar en experimentos. En particular, se podría llevar a cabo un mejor análisis espectroscópico del anti-hidrógeno, de modo que sus propiedades pudieran ser comparadas con las del hidrógeno.

El antihidrógeno es un estado atómico ligado de un positrón y un antiprotón que fue producida por primera vez en el CERN en 1995. En los últimos años, los físicos que trabajan en el experimento ALPHA en el laboratorio de Ginebra se convirtieron en los primeros en capturar y almacenar una gran cantidad de ellos, un total de 309 átomos de antihidrógeno durante 1000 segundos en 2011. A principios de 2012 el equipo mostró que es posible investigar la estructura interna de un átomo de antihidrógeno para llevar a cabo las primeras mediciones indicativas de su espectro. Mediante la mejora de estas mediciones, los investigadores esperan determinar qué diferencias estructurales, si hay alguna, entre la antimateria y la materia ordinaria. Esto, se espera, con el tiempo podría explicar por qué el universo contiene actualmente mucha más materia que antimateria.

La mayoría de los experimentos, como ALPHA crean antimateria mediante la inyección de plasma de positrones y antiprotones en una trampa magnética, donde la antimateria se mantiene durante algún tiempo y es estudiada. Pero los átomos de antihidrógeno tienen energías relativamente altas en comparación con la profundidad de la trampa. Esto provoca distorsiones en el análisis espectral de la muestra debido a efectos como la línea de ampliación.

Para asegurarse de que estos efectos no afectan a los experimentos, Francis Robicheaux de Auburn University en los EE.UU. (también miembro de la colaboración ALPHA) y sus colegas han sugerido el uso de “enfriamiento Doppler” para reducir la energía del anti-hidrógeno atrapado. El método utiliza la luz láser a una frecuencia ligeramente inferior a una transición en un átomo capaz de frenar el decaimiento del átomo. “A medida que el antihidrógeno se enfría, se mueve más lentamente y se mantiene cerca del centro de la trampa de átomos Si los átomos se mueven más lentamente, el desplazamiento de baja su frecuencia debido a que el movimiento – por el desplazamiento Doppler- se reduce”, dice Robicheaux, como explica los beneficios del proceso de refrigeración propuesto. “Los átomos que viajan hacia el láse ven la luz cambiar un poco y son más propensos a absorber que si viajan lejos del láser. Así, el láser tiende a oponerse al movimiento, que conduce a la desaceleración del decaimiento del átomo. “

Los investigadores utilizan la luz láser a una longitud de onda de 121 nm (ya que es un poco por debajo de un antihidrógeno en transición), pero la creación de una fuente que sea lo suficientemente intensa es un reto en sí mismo. ”No es trivial  crear la cantidad necesaria de luz láser a una longitud de onda de 121 nm específica”, dice Robicheaux.

La naturaleza de la trampa también plantea un desafío. Robicheaux explica que la mayoría de experimentos con enfriamiento Doppler utilizan luz láser procedente de seis direcciones en 3D, de modo que cualquier átomo en cualquier dirección tiene un láser que se opone a su movimiento. Pero el aparato experimental de ALPHA sólo permite luz láser desde una dirección (por lo que el enfriamiento podría ser sólo en 1D). ”Nuestro cálculo estaba destinado a mostrar si el experimento ALPHA obtendría enfriamiento 1D o 3D. El resultado puro de nuestra simulación es que el movimiento de un átomo es bastante complicado ya que la refrigeración directa a partir de una dirección sigue dando lugar a la refrigeración en 3D“, dice Robicheaux. Según el equipo, el enfriamiento puede llevarse a cabo utilizando ya sea una onda continua Lyman-α láser (generalmente considerado como el láser de elección para la refrigeración antimateria) o un láser de impulsos , siempre y cuando la intensidad sea suficientemente alta y la línea de anchura del láser lo suficientemente pequeña.

A través de una serie de simulaciones por ordenador, el equipo demostró que los átomos de antihidrógeno pueden ser enfriados a alrededor del 20 millikelvin, haciendo que el esfuerzo valga la pena.En la actualidad, los átomos de antihidrógeno atrapados tienen energías de hasta 500 millikelvin.

A través de los años, algunos otros experimentos y grupos de investigación han sugerido similares métodos de enfriamiento para la antimateria. Pero la nueva propuesta es la única que utiliza un láser y el tiempo requerido para hacer el enfriamiento podría ser bastante corto; unos pocos minutos. Los investigadores también dicen que el enfriamiento no debe tener efectos negativos en la eficiencia de captura. “Hay buenas razones para creer que el enfriamiento aumentará la vida útil del antihidrógeno en la trampa, pero todavía no hemos hecho cálculos detallados para demostrarlo”, explica Robicheaux.

Yasunori Yamazaki del laboratorio RIKEN en Japón, que no participó en el trabajo, cree que la nueva propuesta contiene importantes resultados e implicaciones. “La simulación demuestra  que el láser de impulsos puede enfriar antihidrógeno a 20 millikelvin, que es aproximadamente un décimo de la temperatura del hidrógeno atrapado ahora. En otras palabras, la mala influencia del campo magnético no uniforme, que es inevitable cuando magnéticamente se captura anti-hidrógeno, puede ser reducida en un factor de 10, y así la precisión espectroscópica puede mejorarse un factor de 10, que es mucho,” dice Yamazaki. Pero advierte que captura óptica de antihidrógeno es esencial para llevar a cabo estudios espectroscópicos muy precisos, y cómo se aplique el enfriamiento es algo que queda por ver.

Los investigadores están ahora trabajando en la estimación de cuánta potencia del láser sería necesaria para realizar con éxito su experimento sugerido.

La investigación se publica en Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics

Autor: Tusha Comissariat

Enlace original: Lasers could chill anthydrogen