Primera medición de la estructura de átomos de anti-hidrógeno

La primera medición espectroscopia  de un átomo de antimateria ha sido realizada por un equipo internacional de físicos que trabajan en el experimento ALPHA del CERN. El trabajo es un paso importante hacia la comprensión de porqué el universo contiene más materia que antimateria.

El antihidrógeno (un estado atómico consolidado de un positrón y un antiprotón) se produjo por primera vez en el CERN a finales de 1995. En los últimos dos años, los físicos que trabajan en el experimento ALPHA han permitido avanzar en nuestra comprensión de la antimateria al convertirse en los primeros en capturar y almacenar los anti-átomos durante el tiempo suficiente para examinarlas en detalle. Los investigadores capturaron un total de 38 átomos de antihidrógeno durante aproximadamente una quinta parte de un segundo en 2009 y luego perfeccionaron el aparato y la técnica para atrapar un total de 309 átomos de antihidrógeno en 1000 s en 2010. Ahora, el mismo equipo es el primero en mostrar que es posible sondear la estructura interna de un átomo de antihidrógeno, e informan de la primera medición provisional del espectro del antihidrógeno. El análisis de los espectros de la antimateria es esencial para comprender su estructura y determinar exactamente en qué se diferencia de la materia ordinaria.

En declaraciones el año pasado, el portavoz de ALPHA, Jeffrey Hangst, presentó el plan para detectar el espectro de antihidrógeno mediante el uso de microondas, y ahora esto es exactamente lo que el equipo ha hecho un plazo de nueve meses escasos. Hangst dice que “era más fácil decirlo que hacerlo”, y se muestra muy orgulloso del equipo ALPHA por todo lo que ha logrado.

El aparato ALPHA, que utiliza una trampa de tipo llamada Penning para sostener el antihidrógeno, se modificó considerablemente para permitir la inyección de microondas en la trampa. En un artículo publicado en Nature , los investigadores describen cómo por primera vez brillan microondas a una frecuencia precisa sobre los átomos de antihidrógeno atrapados, lo que provoca su orientación magnética para moverlos. El spin permite que la mayoría de los anti-átomos atrapados escapen de la trampa, porque el giro del anti-hidrógeno debe apuntar en una dirección fija con respecto al campo magnético a fin de que que sean retenidos en la trampa.

“El átomo es como una canica rodando en un tazón; no puede escapar”, explica Hangst, al referirse a los anti-átomos atrapados. ”Las microondas hacen que el spin cambie si posee la resonancia de energía adecuada. Entonces es como si pusieramos mármol  en la cima de una colina y lo lanzásemos ladera abajo. En este caso, en la pared de la trampa, donde se aniquila “, dice. A medida que el antihidrógeno se aniquila, deja un patrón característico en los detectores de partículas alrededor de la trampa, lo que proporciona evidencias de la interacción de resonancia. “Esa es otra cosa realmente novedosa acerca de cómo trabajar con la antimateria… podemos hacer esto con un solo átomo de antihidrógeno. Con tan sólo un átomo de hidrógeno, sería imposible, ya que no se produciría la aniquilación”, explica Hangst.

Hangst explica que el equipo realizó varios cruces y en repetidas ocasiones comprobaron sus estadísticas, realizando hasta seis series de mediciones para asegurar que el método funcionaba con la mayor precisión posible. Uno de los controles utilizados en el experimento consiste en inyectar microondas en la frecuencia equivocada y luego asegurarse de que los anti-átomos no son liberados. Hangst señala, sin embargo, que la manipulación de los espines de los anti-átomos dentro de los confines de una trampa magnética es difícil y el espacio libre sería mucho más favorable. Desafortunadamente, como el anti-hidrógeno es un átomo neutro, es extremadamente difícil de sintetizar y almacenar, y solo es posible dentro de los confines de una trampa magnética. Independientemente de las dificultades, el equipo ALPHA va a seguir investigando en diferentes tipos de transiciones que son menos sensibles a los campos magnéticos de la trampa. “En última instancia, queremos probar la estructura de la antimateria tal, de modo que podamos medir con precisión el momento de dipolo magnético; una de las propiedades más fundamentales de la antimateria”.

Hangst también señala los logros del año pasado con la captura del anti-hidrógeno durante 1000 s fue fundamental para el éxito del experimento actual. “Esto era de lo que se trataba con esa captura. A pesar de que, al final, sólo necesitamos 240 segundos para este experimento, era muy importante saber que disponíamos de 1000 segundos si lo necesitábamos”, dice.

El equipo realizó una serie de 6 experimentos y la conclusión a la que llegó es que ha observado resonancia cuántica en átomos de anti-materia atrapada y está en buen camino para comparar con precisión el espectro del hidrógeno y en anti-hidrógeno.  Algo esencial ya que, las diferencias entre átomos y anti-átomos podría explicar la evolución en el Universo para contener más materia que anti-materia. En los próximos meses ALPHA dará paso a su segunda fase, que incluirá un rayos láser que permitirán al equipo llevar a cabo la espectroscopia con mayor precisión. Esto hará examinar los niveles de energía en un sistema hidrogéno-antihidrógeno, como por ejemplo la energía orbital de un positrón y un anti-protón. La segunda fase de ALPHA está prevista para el 2 de mayo e incluirá un largo proceso de perfeccionamiento del equipo.

Por el momento, esta determinación precoz del espectro de la antimateria es “la idea subyacente de los experimentos de antimateria en el CERN”, de acuerdo con Hangst. ”Es un hallazgo histórico… ahora sabemos que podemos seguir hasta encontrar valores mejores y más precisos”.

Con miembros de siete países, el equipo ALPHA compartió el Revelación Physics World 2010 por su captura de antihidrógeno.

El trabajo se publica en Nature

Autor: Tushna Commissariat