13/03/2012 - Se estudia por primera vez la estructura interna del antihidrógeno

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Se han realizado las primeras medidas espectroscópicas de un átomo de antimateria por parte de un equipo internacional de físicos que trabajan en el experimento ALPHA del CERN. El trabajo es un importante avance hacia la comprensión de por qué el universo contiene más materia que antimateria.

El antihidrógeno – un estado atómico ligado de un positrón y un antiprotón – se generó por primera vez en el CERN a finales de 1995. A lo largo de los últimos dos años, los físicos que trabajan en el experimento ALPHA han aumentado nuestra comprensión de la antimateria convirtiéndose en los primeros en capturar y almacenar antiátomos durante el tiempo suficiente como para examinarlos en detalle. Los investigadores atraparon un total de 38 átomos de antihidrógeno durante la quinta parte de un segundo en 2010 y luego perfeccionaron la técnica para atrapar un total de 309 átomos de atihidrógeno durante 1000 segundos en 2011. Ahora, el mismo equipo es el primero en demostrar que es posible estudiar la estructura interna de un átomo de antihidrógeno, informando de la primera medida provisional del espectro del antihidrógeno. Analizar el espectro de la antimateria es esencial para comprender su estructura y determinar exactamente en qué difiere de la materia común.

Atrapar y mantener

Hablando con physicsworld.com el año pasado, el portavoz de ALPHA Jeffrey Hangst esbozó el plan para detectar el espectro de antihidrógeno usando microondas, y ahora esto es exactamente lo que ha hecho el equipo en apenas nueve meses. Hangst dice que “era más fácil decirlo que hacerlo”, y que está muy orgulloso de todo el equipo ALPHA y lo que ha logrado.

El aparato ALPHA, que usa una trampa de Penning para mantener el antihidrógeno, se modificó considerablemente para permitir la inyección de microondas en la trampa. En un artículo publicado hoy en Nature, los investigadores describen cómo primero lanzan microondas a una frecuencia precisa sobre los átomos de antihidrógeno atrapados, lo que provoca que se invierta su orientación magnética. El cambio de espín permite que la mayor parte de los antiátomos atrapados escapen de la trampa, debido a que el espín del antihidrógeno debe apuntar hacia una dirección fija respecto al campo magnético para mantenerse en la trampa.

Antimateria en las microondas

“El átomo es como una canica que da vueltas en un tazón – no puede escapar”, explica Hangst al referirse a los antiátomos atrapados. “Las microondas provocan que el espín se invierta si tiene la energía ‘resonante’ adecuada. Entonces es como si la canica estuviese en la cima de una colina y rodase hacia abajo – en este caso en la pared de la trampa, donde se aniquila”, comenta. Cuando se aniquila el antihidrógeno, deja un patrón característico en los detectores de partículas alrededor de la trampa, lo que proporciona pruebas de la interacción resonante. “Esto es otra cosa realmente novedosa en el trabajo con antimateria… podemos hacerlo con un único átomo de antihidrógeno. Con un átomo de hidrógeno sería imposible, dado que no ocurriría la aniquilación”, explica Hangst.

Comprobación independiente y confirmación

Hangst explica que el equipo realizó varias comprobaciones independientes y chequeó repetidamente sus estadísticas, ejecutando seis series de medidas, para asegurar que el método funciona con tanta precisión como fuese posible. Uno de los controles usados en el experimento es inyectar microondas a la frecuencia incorrecta – el modo “fuera de resonancia” – y asegurarse de que no se libera ningún antiátomo. Hangst señala, sin embargo, que manipular los espines de los antiátomos dentro de la confinación de una trampa magnética es difícil debido a que el espacio libre sería un entorno mucho más propicio. Desafortunadamente, dado que el antihidrógeno es un átomo neutro, es extremadamente difícil de sintetizar y almacenar, y sólo puede mantenerse dentro de los confines de la trampa magnetostática. Sin tener en cuenta las dificultades, el equipo ALPHA continuará observando distintos tipos de transiciones que son menos sensibles a los campos magnéticos de la trampa. “Finalmente, queremos estudiar la estructura de la antimateria de tal forma que podamos medir con precisión el momento dipolar magnético – una de las propiedades más fundamentales – de la antimateria”, dice Hangst.

Hangst también señala que el logro del año pasado de atrapar antihidrógeno durante 1000 segundos fue clave para el éxito del experimento actual. “De esto iba lo de atrapar durante 1000 segundos. Aunque finalmente sólo necesitamos 240 segundos para este experimento, era crítico saber que teníamos 1000 segundos si era necesario”, afirma.

Observar con láseres

El equipo ejecutó seis series de experimentos y concluyó que ha observado transiciones resonantes cuánticas en los átomos de antimateria atrapados y que esto está en camino de permitirnos comparar con precisión los espectros de hidrógeno y antihidrógeno. Esto es esencial dado que las diferencias entre la estructura de átomos y antiátomos podrían explicar por qué el universo ha evolucionado para contener mucha más materia que antimateria.

En los próximos meses, Hangst y el equipo desmantelarán la actual configuración de ALPHA para construir ALPHA 2 – un aparato que incluirá láseres que permitirán al equipo llevar a cabo espectroscopia láser de precisión. Esto se hará observando los niveles de energía del sistema de antihidrógeno – por ejemplo la energía orbital del positrón alrededor del antiprotón. Los investigadores tienen previsto la puesta en servicio e inicio de funcionamiento de ALPHA 2 en mayo de este año, y luego empezarán el largo proceso de perfeccionamiento del aparato.

Por ahora, estas medidas iniciales del espectro de antimateria es “la idea tras los experimentos de antimateria del CERN”, de acuerdo con Hangst. “Es un hallazgo histórico… ahora sabemos que podemos continuar encontrando valores mejores y más precisos”, señala.

Con miembros de siete países, el equipo ALPHA compartiío el premio Physics World 2010 Breakthrough of the Year por su captura del antihidrógeno

Autor:Tushna Commissariat

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