Antimateria: los científicos encuentran la manera de atrapar material escurridizo disparándolo con láseres

Se cree que la antimateria juega un papel muy importante en la historia de nuestro universo. Es la contraparte de la materia: idéntica en todos los sentidos, con protones, neutrones y electrones, pero con una carga eléctrica opuesta. Según nuestro mejor entendimiento de las leyes de la física , el universo de hoy debería estar igualmente poblado por materia y antimateria.

Sin embargo, por lo que sabemos, no lo es . La antimateria es esquiva, y uno de los mayores enigmas de la física moderna es cómo podemos explicar un universo » simétrico » de partes iguales de materia y antimateria cuando, después de décadas de búsqueda, el universo parece estar casi completamente desprovisto de antimateria.

Para tratar de desentrañar este misterio cósmico, los físicos están estudiando varias características de la antimateria. En particular, nos interesan las pequeñas diferencias entre la materia y la antimateria que podrían explicar la asimetría que observamos, validando a su vez las leyes de la física existentes.

Pero estudiar la antimateria es increíblemente difícil. Se necesita una gran cantidad de energía para crearlo, e incluso entonces es probable que desaparezca: se aniquila cuando entra en contacto con la materia que nos rodea.

La investigación de mis colegas del Cern y yo ha producido una forma de crear, atrapar y enfriar con láser antimateria durante el tiempo suficiente para que podamos apuntar a un conjunto completamente nuevo de mediciones más precisas. Nuestros experimentos podrían ser un paso significativo para resolver el misterio de la antimateria perdida en nuestro universo.

Haciendo antimateria

Así como la materia está formada por átomos, la antimateria está formada por antiatómicos. El antiatómico más fácil de hacer es el antihidrógeno, creado por primera vez por Cern en 1995 y medido por primera vez en 2012. Consiste en un solo antielectrón (llamado positrón) que orbita alrededor de un núcleo de un antiprotón, el antihidrógeno (e hidrógeno, su contraparte en la materia) tiene el más simple estructura atómica en el universo.

Pero hacer antihidrógeno no es fácil. El enfoque clásico de la física de alta energía para el problema utiliza un colisionador de partículas, como el LHC en Cern , para convertir enormes cantidades de energía cinética en una plétora de metralla subatómica para que la estudiemos.

Los aceleradores de partículas se pueden utilizar para crear antiprotones. Sin embargo, para producir un solo antiprotón utilizable, necesitamos 1 millón de protones y al menos 26 millones de veces la energía que finalmente se «almacena» en un antiprotón. Esto hace que cada antiprotón que creamos sea increíblemente valioso.

Una vez que creamos suficientes antiprotones, necesitábamos antielectrones (positrones) para construir nuestros antiatómicos. Afortunadamente, los positrones pueden obtenerse con bastante facilidad de una fuente radiactiva . Con nuestros ingredientes principales recolectados, solo necesitábamos combinarlos.

Esto lo logramos forzando a los antiprotones y positrones a entrar en contacto dentro de una trampa electromagnética. Fundamentalmente, esto tenía que suceder en el vacío, porque si las antipartículas entraran en contacto con cualquier parte del aparato, que por supuesto estaba hecho de materia, simplemente se aniquilarían al contacto y desaparecerían por completo. Solo después de todos estos pasos podríamos formar átomos de antihidrógeno utilizables, inmovilizados en el vacío por una combinación de campos magnéticos.

Cuatro electrodos alrededor de un láser.
Esta demostración de nuestra trampa electromagnética muestra cómo las fuerzas que crea pueden retener partículas cargadas en el espacio. Niels Madsen , autor proporcionado

Medición de antihidrógeno

En este estado, es posible tomar medidas del antihidrógeno. Lo que estamos buscando medir aquí es una transición atómica clave entre dos estados de energía del átomo de antihidrógeno. Esta transición es particularmente adecuada para mediciones precisas, y el equivalente en hidrógeno se ha medido con una asombrosa precisión de 15 decimales.

Llevamos nuestra medición de antihidrógeno a 12 lugares decimales de precisión. Esto es peor que la medición más precisa de hidrógeno ordinario por un factor de 1,000, pero actualmente es la mejor medición de antihidrógeno que nadie haya hecho.

Pero una limitación clave de nuestra medición es el movimiento de los antiatómicos en la propia trampa, debido a su energía cinética. Al reducir aún más este movimiento, nuestras mediciones serían mucho más precisas. Nuestro experimento logró esto, por primera vez, disparando los antiatómicos con luz láser.

Un hombre inserta una varilla en un recipiente de hidrógeno líquido en un laboratorio
El helio líquido ayuda a enfriar el antihidrógeno en nuestra trampa, pero los láseres ayudan a reducir aún más la temperatura. Niels Madsen , autor proporcionado

Refrigeración por láser

La luz de un láser está formada por fotones, que tienen un impulso propio. Cuando un átomo absorbe un fotón, la velocidad del átomo cambia ligeramente. Siguiendo este principio básico, sabíamos que podíamos usar el impulso contenido en nuestro rayo láser para reducir la energía cinética de los antiatómicos atrapados, enfriándolos más cerca del cero absoluto.

Eso requería que solo golpeáramos los antiatómicos con fotones cuando se movían hacia el láser, ya que esto, en efecto, cancelaría parte de la velocidad del antiatómico: un poco como se aplicaría la fuerza para frenar a un niño en un columpio.

Al utilizar este enfriamiento láser dirigido , logramos reducir la temperatura de nuestro antihidrógeno almacenado en un factor de diez, lo que tiene el potencial de mejorar la precisión de las mediciones futuras en un factor de cuatro.

Todavía no hemos realizado suficientes mediciones para publicar datos nuevos y más precisos sobre el antihidrógeno, pero eso llegará muy pronto. Más allá de eso, nuestra técnica de enfriamiento por láser nos ha puesto en un camino firme hacia una mayor precisión en muchas mediciones tanto de materia como de antimateria, y nos acerca un paso más a hacer una medición aún más precisa del propio hidrógeno.

El enfriamiento por láser abre posibilidades interesantes para medir el antihidrógeno. Combinado con las técnicas existentes que nos permiten acumular cantidades relativamente grandes de antihidrógeno (miles de antiatómicos por día) pronto sabremos aún más sobre la naturaleza del antihidrógeno, y ese conocimiento adicional podría ayudarnos a comprender por qué la materia está en todas partes de nuestro universo, mientras que la antimateria es tan esquiva.

https://theconversation.com/antimatter-scientists-find-way-to-trap-elusive-material-by-blasting-it-with-lasers-159307

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