El antihidrógeno revela su carga

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Artículo publicado por Robert Sanders el 20 de enero de 2016 en Berkeley News

Un experimento de 8 horas de duración usando la trampa ALPHA en el CERN confirmó, con una precisión 20 veces mayor que antes, que la carga del átomo de antihidrógeno  – el homólogo de antimateria del átomo de hidrógeno – es cero.

La carga es idéntica a la del átomo de hidrógeno, demostrando una vez más que las propiedades de materia y antimateria son imágenes especulares uno de otro.

Trampa de antimateria de ALPHA

Trampa de antimateria de ALPHA

Una carga distinta de cero habría significado que el antiprotón del núcleo y el positrón que gira a su alrededor tendrían cargas ligeramente distintas, lo que violaría las reglas del Modelo Estándar de física de partículas y, posiblemente, proporcionaría una explicación a la predominancia de la materia sobre la antimateria en el universo.

“La asimetría de materia y antimateria en el universo es uno de los problemas más importantes sin resolver en la teoría del Big Bang, la cual, por otra parte, tiene un gran éxito”, señala Joel Fajans, profesor de física en la Universidad de California en Berkeley, y director del experimento. “Nuestro experimento fue un intento de ver si había diferencias entre materia y antimateria, en este caso los átomos de hidrógeno. Ambos deberían ser neutros”.

Teóricamente, materia y antimateria deberían haberse creado en cantidades iguales en el nacimiento del cosmos durante el Big Bang, hace 13 800 millones de años. Aun así, actualmente la antimateria es rara en el universo, lo que lleva a los físicos a buscar minúsculas violaciones de las leyes conocidas de la física que pudiesen explicar esta asimetría.

“En cierto sentido, esta es la primera medida de precisión realizada sobre el antihidrógeno, debido a que la medida supera a cualquiera que pudiese deducirse a partir de las investigaciones anteriores”, señala Fajans. “Se habían establecido límites independientes para la carga del antiprotón y el positrón, que son opuestas y, experimentalmente, aproximadamente iguales. Pero con este artículo, hemos mejorado los límites obtenidos añadiendo la carga medida medida del antiprotón y positrón”.

La carga es cero en 0,7 partes por cada mil millones, un límite 20 veces menor que las medidas anteriores.

El experimento también permitió a los investigadores calcular la carga del positrón, que es la misma – excepto por el signo de la carga – que la del electrón, en una parte en mil millones. Este límite es 25 veces mejor que las medidas anteriores.

Los resultados se publican en el ejemplar del 21 de enero de la revista Nature. La colaboración ALPHA en la Organización Europea para Investigación Nuclear en Ginebra, Suiza, está dirigida por Jeffrey Hangst de la Universidad de Aarhus en Dinamarca.

Buscando diferencias entre materia y antimateria

Fajans, el profesor de la UC Berkeley Jonathan Wurtele, y sus colegas de ALPHA han estudiado el antihidrógeno en anteriores experimentos para buscar violaciones del Modelo Estándar, por el momento sin éxito. En uno de tales intentos, descubrieron una diferencia entre la atracción gravitatoria de materia y antimateria, se estudiará con más precisión gracias a una nueva beca de 15 millones de dólares a ALPHA procedente de Canadá y Dinamarca para buscar anomalías gravitatorias en los átomos de antihidrógeno.

En el experimento más reciente, llevado a cabo a finales de 2014, Fajans y Wurtele emplearon una novedosa técnica conocida como aceleración estocástica, que es más sensible que otros métodos más directos. Atraparon los átomos de antihidrógeno como en experimentos anteriores, pero esta vez lanzaron pulsos repetidos con un campo eléctrico para tratar de sacarlos de la trampa. Si los antiátomos son realmente neutros, estos campos no tendrían efecto.

“Golpeamos de forma continua el antihidrógeno con un campo eléctrico, aleatoriamente, unas 80 000 veces. Si estuviesen cargadas, sacudirlas adelante y atrás finalmente les daría suficiente energía como para escapar de la trampa”, explica. “El antihidrógeno permaneció en la trampa, lo que nos permitió establecer un límite al valor que podría tomar la carga”.

Comparó su técnica con un balón en un campo de fútbol, el cual es golpeado repetidas veces por los cientos de miles de aficionados. Sin la fricción del aire frenándola, la pelota finalmente saldría fuera del estadio.

Gracias a años de trabajo de los aproximadamente 50 científicos y estudiantes de ALPHA, el experimento se encuentra ahora en un punto clave, explica Fajans.

“Hemos llegado al punto en el que podemos hacer con confianza y seguridad experimentos con antihidrógeno en trampas, pero hemos necesitado miles y miles de horas para llegar a este punto”, explica. “Esto abre una nueva era de medidas de precisión sobre el antihidrógeno”.

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