Se estudia por primera vez la estructura interna del antihidrógeno

Artículo publicado por Tushna Commissariat el 7 de marzo de 2012 en physicsworld.com

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.

Experimento ALPHA © Crédito: Jacques Hervé Fichet/CERN

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

El trabajo se publica en la revista Nature.


Autor: Tushna Commissariat
Fecha Original: 7 de marzo de 2012
Enlace Original

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Comments (18)

  1. Hola, amigos:

    Cada día nos podemos asombrar con nuevos avances logrados por la física y, el que aquí nos cuentan, es vital importancia para conocer que pudo pasar en aquellos primeros momentos para que, la materia prevaleciera sobre la antimateria, o, por qué ésta estaba presente en menor cantidad que aquella.

    De todas las maneras, es ya un logro en sí mismo el mantener antimaria para su estudio durante algo más de un cuarto de hora, y, la tecnología necesaria para hacerlo posible, tampoco es, ninguna nimiedad.

    Esperémos que en la segunda fase, se avance más aún y se pueda llegar a conclusiones de importancia capital para conocer, secretos del Universo que, hasta el momento, nos estaban vedados.

    Claro que, me temo que sólo tendremos la posibilidad de plantear nuevas preguntas.

    Sería interesante saber que opina, el contertulio Tom Wood que, al estar más preparado en estos temas, nos podría dar una explicación que, planteada de manera sencilla y coloquial, nos lleve a la verdadera importancia de estos experimentos.

    Un saludo cordial.

    • Tom Wood

      Mira, según mi modelo (un feto todavía), la única diferencia que hay en el fondo, después de todas las magnitudes, en la estructura de los leptones y antileptones, y tal vez, por extensión del modelo (no he meditado bien eso físicamente, por la magnitud del asunto, esta latente o pendiente la extrapolación,…) entre los quarks, y los antiquarks; es solamente geométrica. El mas aturdido con esto soy yo. Es decir la diferencia entre un electrón y un positrón, hablo de su esencia final, su estructura interna, es solo su circulación electromagnética, derecha (electrón), he izquierda (positrón). Mi confusión es responderme: ¿Puede la geometría crear por si sola una diferencia entre dos entes que en el resto de las cosas son idénticos? Si al final esa geometría, te da las demás características de las partículas, como carga, momento magnético intrínsico, estabilidad temporal (tiempo de vida en equilibrio estable), y masa (recuerden el Higgs); que por un lados las hacen iguales y por otro diferentes; sigo confundido en dar una respuesta. No me he podido desprogramar sobre el concepto de geometrías, como una cosa inerte, que no determina las esencia física de las cosas, así me educaron y así sigue mi cerebro pensando. Hasta que no sepamos explicarnos que relación física (explicarnos con palabras físicamente) hay entre la geometría, simple y llanamente geometría y la naturaleza física de las cosas, será muy difícil que entre en mi cabeza, que hay diferencia criticas entre materia y antimateria. No se decir, como una cosa geométrica crea diferencia en algo. Es decir, te estoy respondiendo que para mi materia y antimateria, no tienen diferencias, que sean relevantes para explicar su desequilibrio en nuestro universo conocido. Para explicar nuestra existencia. Al no ser que la geometría las determine, tal vez ese sea el misterio físico (no matemático, no físico-matemático), que nadie le ha podido arrancar con claridad a la TGR, y hasta la quántica. Se que no encontrar diferencias entre materia y antimateria, complica mas el panorama. Porque entonces no existe ni la idea, de a que se debe el hecho, de que allá un mundo material y ha la vez podamos crear partículas casi idénticas, pero que se aniquilan con esa materia Eso es lo que hacemos, hasta ahí sabemos; lo demás que de que existe un antimundo, o algo parecido, es lógica humana, no un hecho, es solo fecundidad intelectual. No existe ninguna idea consistente que privilegie un sentido, en detrimento del otro, al parecen de igual estatus, pero es lo que vemos hasta donde nos “alcanza la vista físicas”. La naturaleza no esta hecha para complacernos, la lógica si. Será terrible para la mente humana que la naturaleza no tenga que violar ninguna simetría y haga otra cosa para que exista materia y la vez podamos crear lo que se conoce como antimateria, pero que en sus leyes individuales, sin la voluntad del hombre, ella desconozca, ignore de cierta forma la antimateria, como ignora que cosa es un auto, algo humano. Pero en el pasado ya han pasado cosas parecidas y la historia física ha continuado, nadie se llego a cortar las venas. Cada generación sobredimensiona sus creencias, su cultura, su información, su formación, su programación histórica. Será terrible para la lógica humana; pero ya sufrimos la terrible asimetría entre lo magnético (sin carga magnética) y lo eléctrico; y ya nadie se acuerda casi de eso. A excepción de la lógica física-matemática que Maxwell rectifico, y que Dirac retomo a su forma. Nadie encontró las dichosas cargas magnética, incluso después de restringirse su existencia a los lugares (reales) mas recónditos, he inimaginables experimentalmente. Pero como la derrota es huérfana, las mandamos a la papelera del reciclaje físico, al Big Bang y allí aceptan a todo lo que tenga buena lógica humana; y allí están esos monopolos, esperando que los extraterrestres experimentales viajen al pasado y las encuentren. Si no aparece el Higgs, allí va ha parar, aunque el casi es ciudadano natural de ese sitio, ya viene en parte de allí; así que no necesita pasaporte, ya verán. Un físico formado con la lógica de la guerra fría nunca se rinde, nunca derrocha sus energías en una buena lógica en vano. Lamentablemente, los modelos lógicos que pasan a engrosar la cultura humana, no necesariamente son la naturaleza. Siempre te encontraras personas que con las cinco herramientas físicas conocidas pueden explicarlo todo, están desesperados en concluir la historia de la ciencia, se matan ante que llegue el cometa, para no morirse o ver la muerte que les pronostican después; morirse, para no morirse, que cómico. Siempre digo que la imaginación de los experimentales es tremenda y los dogmáticos del presente van a sufrir muchas decepciones. Hace anos que digo que solo estamos comenzando, pero ahora noto mas velocidad, las personas no quieren que los acoten, que los limiten. Imagínense que no podrán lograr los jóvenes físicos, los físicos pos guerra fría, cuando tomen el mando a partir del 2030, por poner una fecha. Será escandaloso, habrá muchos “suicidios físicos”, si al comparar estos dos átomos, encontramos que hay alguna anomalía no prevista por la quántica del hidrogeno. Veo que muchos quánticos, dicen cosas que no dice la quántica, pero como están en la zona de duda, como una pelota de tenis sobre la raya, se toma esas licencias. Acaso es casualidad, la buena aproximación que da la física clásica, sin ser creada para eso, sobre el átomo de hidrogeno. Acaso toda medición experimental quántica, no es al final clásica, de ahí los problemas experimentales, no la registran nuestros clásicos sentidos. Emilio todos, no te engañes, todos estamos muy confundidos, y eso es bueno.

      • ¡La Física! Quién la pudiera comprender…, en toda su plenitud.

        Sí, amigo Tom, es cierto, la confusión es general y, como nos decía Popper:

        “Cuanto profundizo en el conocimiento de las cosas, más consciente soy de que, mientras que mis conocimientos son finitos, mi ignorancia es infinita.”

        Y, como bien dices, eso es asi y, aunque parezca una contradicción, también resulta ser bueno, toda vez que, de saberlo todo, estaríamos en plena decadencia, ya nada llamaría nuestra atención ni despertaría nuestra curiosidad que, al fin y al cabo, es el motor que nos lleva a descubrir.

        ¡Son tantos los problemas por resolver
        ¡Sabemos tan poco!
        ¡Es tan compleja la Naturaleza!

        Recuerda que Feynman nos decía: “El placer de descubrir…”

        Y, en eso andas tú, tratando de desvelar esos complejos entramados que, en ese mundo de lo infinitesimal, guarda con celo las respuestas a las muchas preguntas que nadie sabe contestar.

        Pero, como nos decía Hilbert (así figura gravado en su tumbra de Gotinga):

        “Tenemos que saber, sabremos.”

        Un saludo cordial amigo.

  2. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: Artículo publicado por Tushna Commissariat el 7 de marzo de 2012 en physicsworld.com Se han realizado las primeras medidas espectroscópicas de un átomo de antimateria por parte de un equipo internacional de físicos que tr……

  3. Dr. Antigravity

    Enorrrmes dudas que deben ser despejadas a la mayor brevedad:

    -¿Estamos realmente seguros de que lo que vemos, allá a tomar por saco de millones de años-luz, es realmente materia? Porque lo suponemos basándonos en que no vemos pirotecnias espectaculares (que es lo que cabe esperar de la interacción de materia o antimateria), pero realmente seguros, no lo estamos. Es decir, no tenemos ninguna prueba, sólo una razonable probabilidad.

    -¿Sabemos si el campo gravitatorio actua igual para la antimateria? (esto sí que sería un bombazo que se caga la perra, y no los neutrinos seudosuperlumínicos). La vieja idea de que materia y antimateria se repelen gravitacionalmente daría un vuelco impresionante a toda la cosmología (y otros detallitos interesantes en gravedad cuántica y violaciones de paridad y tal y tal). Hajdukovic (del CERN, ese sitio que pasa de todo xD) ha incluso elaborado un modelo sobre este escenario que explicaría todas las anomalías rotacionales galácticas, enviando las materias oscuras y fantasmales a la basura.

    Esto sí que seráin petardazos, auténticos cambios copernicanos. Como siempre, como noticias de segundo plano (de todos modos, no nos emocionemos, es probable que estas ideas no sean correctas).

  4. [...] am y archivada en Fí­sica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web. [...]

  5. Fandila

    Cuando se habla de la rotura espontánea de la simetría y se aplica a los principios del Universo no queda claro el porqué de la escasez y casi ausencia de la antimateria.
    ………………………………………………………………..
    …………………………………………………………………………

    …. Seguro que no, pues en su globalidad, muchos big-bang distintos no supondrían una simetría, pues han de diferir entre ellos forzosamente. Sin embargo, sí que dichas explosiones habrían de relacionarse pasado un tiempo con su intercambio de materia. La simetría particular de cada explosión se rompe en el conjunto
    …………………………………………………………………
    …………………………………………………………………………

    …. Por otra parte, la existencia de galaxias tempranas adquiere su significado si ese único y entredicho Big-Bang no fuese único como ya hemos supuesto, y el “conjunto de explosiones”, tal vez de gigantescos agujeros negros, hubieran sido fenómenos más diversificados en el tiempo seguramente, y no coetáneos con nuestra explosión particular, sino anteriores y posteriores a ella.
    …………………………………………………..
    ……………………………………………………….

    …. Poco significa que ese giro universal sea a izquierdas o que fuese a derechas, siempre que exista ese, a modo, de espín. Lo cierto es que la “asimetría” debida al giro sólo habría de procurar mayoritariamente elementos individuales y no pares, pues no serían propensos a esa simetría para generarse contrarios exactos.
    …………………………………………………………………………
    …………………………………………………………………….

    …. ¿Dónde está la antimateria? Como tal, con todo su sentido físico, seguramente en ningún sitio, como no sea camuflada con su “anti” en equilibrios internos donde se burle su principio de exclusión. El resto, dentro de lo que cabe, y su correspondiente “anti”, pudiera estar en forma caótica como energía de aniquilación de los pares, en el “vacío”

    Saludos

    • Dr. Antigravity

      Sólo un pero: *si* existe tal ausencia de antimateria. Es una mera suposición, no lo sabemos. Estructuras enteras del universo observable podrían estar hechas de antimateria, y no tenemos forma de saberlo. ¡Mira que si en realidad lo raro fuera la materia! xDD

  6. Fandila

    Según dicen, la existencia de galaxias o grandes espacios de antimateria se detectaría, por la emisión de microondas emanadas en el limite entre los dominios de materia y antimateria, por causa de la interacción entre ambas

    • Dr. Antigravity

      En nuestra propia galaxia tenemos una nubecilla de 10.000 años-luz de largo (significativa para el tamaño total de la galaxia) generando tanta energía como 10.000 soles (sic, http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2007/antimatter_binary.html),. Ha sido efectivamente detectada por la emisión de r-γ asociada a la aniquilación positrón-electrón, pero fue descubierta en 1970, y cuanto más sabemos de ella menos encaja con todas las teorías al uso.

      Es que si no existe interacción entre materia y antimateria, no hay forma de momento de discernirla. Es más, una galaxia de antimateria donde hubiese emisiones por interacción de la poca materia que se formase, sería indistinguible de su opuesto especular, digamos. Naturalmente, si una galaxia de materia y otra de antimateria chocasen, el espectáculo sería impresionante, y eso efectivamente no se ha visto. Pero es que si resulta que materia y antimateria se repelen gravitatoriamente, lo que cabe esperar precisamente es que jamás se den tales fenómenos, aparte de que el universo tendería a polarizarse de varias formas.

      Cualquier astrofísico te dirá que, efectivamente, no saben si es materia o antimateria. *Piensan* que es materia por una serie de inferencias que se basan en lo que sabemos y naturalmente en lo que ignoramos, lo que es muy mal fundamento para nada. Y la ciencia no funciona con lo que creemos, sino con lo que medimos y verificamos.

  7. Fandila

    Puede ser. Como también podría ser que materia y antimateria conviviesen juntas en lo que llamamos materia como dos formas antitéticas que dan lugar a lo que observamos, pero que esa “anti”, minoritaria o no, la de carga opuesta, no se manifieste porque antes de conseguirlo se aniquilan hasta el “vacío”.

    De esos fenómenos cósmicos tan lejanos nos es dífícil dar una respuesta, lo cercano aparente si que se nos clarifica conmás facilidad, pues la antimatería por lo observado se da escasamente en la interacción gamma o de alta energía y en producciones artificiales.
    Ojalá fuese de la otra forma. La riqueza existencial sería más rica y las posibilidades energéticas en un futuro “menos problemáticas”

  8. Fandila

    ¿Cual sería el fundamento para que materia y antimateria puedan repelerse gravitatoriamente?

    • Dr. Antigravity

      Fundamento ninguno. La ley de la gravedad de Newton es empírica. Si quieres, el mismo fundamento que tiene el campo electromagnético con sus cargas (ninguno, vaya). Existen modelos teóricos para dar y tomar, unos más conocidos (y en consecuencia, más cotejados con los datos experimentales, incompletos) y otros más desconocidos (pues menos). Pero el hecho es que este asunto sólo se solventará cuando se pueda verificar experimentalmente cómo se comporta la antimateria. Lo que me gusta subrayar es que esto *no* ha sido comprobado (entre otras razones, porque no se ha podido), y por tanto, nos movemos en conjeturas y especulaciones, más o menos razonables, pero conjeturas y especulaciones, nada de hechos empíricos incontestables.

      Lo más probable es que la antimateria se comporte gravitatoriamente igual que la materia, a tenor de lo que apuntan otras cosas, pero no puede descartarse que no sea así. Es ese “vender el león antes de cazarlo” lo que me molesta.

      • Fandila

        Así es. El investigador ha de sacar tajada de lo que investiga, pues vive de eso. Si las cuentas no salen y las soluciones no son inminentes, sólo tiene dos opciones: o cerrar el kiosko u obtener una compensación por su trabajo con la divulgación. Si es que se trata de eso.
        Pero eso no siempre es tan claro pues hay otros intereses de por medio.

        • Dr. Antigravity

          El problema es que nuestro modelo social es una porquería. Todas las ventajas evolutivas que tiene la especie humana le vienen precisamente de actuar en común (individualmente no valemos nada), y no hacemos más que fomentar un individualismo excluyente y segregacionista, que es un problema que se da sistemáticamente en todas esas culturas que llamamos “civilizadas” (con algunas excepciones). El problema es que al avance científico contribuye tanto, en rigor, el que da con la respuesta más próxima a la realidad como todos los que contribuyen a falsear los conceptos equivocados, exactamente igual, no obstante el sistema de recompensas está excesivamente escorado hacia los grupos que “aciertan”, y esto aparte de otras cosas, es un problema para el avance científico, porque obviamente hace que nadie quiera fallar (lo que en realidad produce fallos más persistentes y nocivos).

          Técnicamente es un problema de falta de democracia a varios niveles, entre ellos la asignación de recursos y obviamente el acotar drásticamente los privilegios.

  9. Este estudio es un gran paso de avance en el estudio de la fìsica de partìcula y nos pondrìa en condiciones de poder dar respuestas a grandes preguntas que de otra forma imposibilita el conocimiento del universo mismo.

  10. Desde el positrón de Dirac, los físicos siempre han estado a la caza de la antimateria en el universo. No podemos decir que las incursiones en tal sentido fueran un éxito, sino que, por el contrario, la antimateria no parece estar presente en el espacio. Sin embargo, sólo eso, “no parece”, ya que, no tenemos los medios necesarios para poder constatar si está o no está (como alguien apunta por ahí arriba), en el espacio formando galaxias que, vaya usted a saber, como se comportan en el plano gravitatorio que, estimamos (casi todos) que es como el de la materia pero…

    Hasta el momento, al menos que sepamos, la antimateria que hemos logrado tener “a mano”, nos la hemos tenido que fabricar nosotros en los Aceleradores. Y, es cierto que, sabemos que existen las antipartículas pero, ¿dónde están? ¿cómo se comportan? Sólo sabemos que cvuando se juntan materia y antimateria, aquello no llega a una buena amistad.

    Es cierto que poder saber más sobre el tema sería de bastante ayuda para conocer más sobre la complejidad del universo que, de momento, nos lleva a plantear muchas preguntas que nadie sabe contestar, e incluso, se da el caso de que no podemos plantear muchas preguntas porque no tenemos ni el conocimiento necesario para plantearlas.

    Cuando conseguimos nuevos conocimientos, descubrimientos o datos nuevos, en realidad, lo que hemos conseguido es la posibilidad de hacer nuevas preguntas y, con la antimateria, nos ocurre algo parecido, y, de momento, sólo podemos especular, hacer conjeturas y lanzar hipótesis que serán o no serán pero…, quien se resiste a poner sobre la mesa esos pensamientos que bullen dentro de él.

    ¡La Antimateria! Un enigma más del inmenso y complejo universo.

  11. Antonio

    ¿Se puede saber que relación tendría la antimateria con el desdoblamiento del tiempo?. Gracias

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