DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory / Science Daily

Ginebra, Suiza

17 de noviembre de 2010

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Átomos de antimateria han sido capturados y almacenados por primera vez gracias al proyecto de colaboración ALPHA, formado por un equipo de científicos que trabajan en el CERN, el organismo europeo para la investigación nuclear situado cerca de Ginebra, Suiza. A este esfuerzo internacional sin precedentes han sumado sus fuerzas científicos del Departamento Nacional de Energía Lawrence Berkeley además de la Universidad de California, también en Berkeley, contribuyendo de manera significativa al éxito alcanzado.

ALPHA ha logrado almacenar átomos de antihidrógeno, consistentes en un único antiprotón, cargado negativamente, orbitado por un solo antielectrón, un positrón, cargado positivamente. Aunque el número de átomos capturados es de lejos demasiado pequeño para poder encender los motores de materia-antimateria de la nave estelar Enterprise, la nave insignia de la flota en la serie de televisión Star Trek, este avance nos acerca al día en que los científicos estén preparados para efectuar exámenes precisos acerca de las simetrías fundamentales de la naturaleza. Medidas de antiátomos pueden revelar cómo difieren las leyes físicas de la antimateria con respecto a las de la materia ordinaria que domina el mundo en el que vivimos.

Cantidades grandes de antihidrógeno fueron creadas por otros dos equipos distintos en el mismo CERN hace ocho años. Aunque en aquel momento estos equipos lograron crearla no fueron capaces de almacenarla, porque los antiátomos tocaron las paredes de materia ordinaria en la que estaban confinados y en apenas cuestión de millonésimas de segundo, después de ser formados, se aniquilaron de manera instantánea y se destruyeron completamente, convertidos en energía y en otras partículas.

"Hemos comprobado que atrapar antihidrógeno es algo mucho más difícil que crear antihidrógeno", dijo el miembro del equipo del ALPHA, Joel Fajans, un investigador en el Laboratorio de Aceleración y Fusión de la División de Investigación de Berkeley (AFRD), además profesor de física en la Universidad de Berkley. "ALPHA es capaz de crear miles de átomos de antihidrógeno en un segundo, pero la mayoría están demasiado calientes (tienen mucha energía) para caer en la trampa. Tenemos que tener mucha suerte para poder atrapar uno".

El éxito del proyecto de colaboración ALPHA se fundamenta en una botella magnética especialmente diseñada, llamada Trampa de Campo Magnético Mínimo. Su componente principal es un imán octupolo (un imán con ocho polos magnéticos) cuyos campos mantienen los antiátomos lejos de las paredes de la trampa de manera que consigue evitar su aniquilación. Fajans y sus colegas en el AFRD y en UC propusieron, diseñaron y testaron el imán octupolo, que se fabricó en Brookhaven. El miembro del equipo ALPHA, Jonathan Wurtele, de la AFRD y también profesor de la Universidad de Berkeley, lideró el equipo del laboratorio y coordinó a los científicos que utilizaron simulaciones efectuadas por computador para verificar las ventajas del uso del imán octupolo.

En un artículo de próxima publicación en Nature, ahora online, el equipo ALPHA enumera los resultados de 335 intentos experimentales, cada uno de un segundo, durante los que los antiátomos fueron creados y almacenados. Los intentos fueron repetidos en intervalos nunca menores de 15 minutos. Para formar antihidrógeno en esas sesiones, antiprotones se mezclaron con positrones dentro de la trampa. Tan pronto como el imán de la trampa fue saciado todos los antiátomos se liberaron, siendo su consiguiente aniquilación registrada por los detectores de silicio. De esta manera los investigadores fueron capaces de registrar 38 átomos de antihidrógeno, que fueron retenidos en la trampa al menos por dos décimas de segundo.

"Probar que hemos cazado antihidrógeno depende de que establezcamos que nuestra señal no es causada por el entorno", aseguró Fajans. Desde el momento en que 38 átomos de antihidrógeno parecen haber sido cazados durante los 335 intentos, los científicos han confirmado con mucha cautela que cada evento candidato era en realidad una aniquilación y no el paso de un rayo cósmico o, si cabe más difícil de distinguir, la aniquilación de un antiprotón suelto.

Para discriminar entre los eventos reales y los de fondo, el equipo ALPHA utilizó simulaciones basadas en cálculos teóricos para mostrar de qué manera los eventos causados por el fondo podrían distribuirse dentro del detector y, por contra, cómo las verdaderas aniquilaciones de antihidrógeno se podrían manifestar. Fajans y Francis Robicheaux de la Universidad de Auburn contribuyeron con simulaciones de cómo los antiprotones espejo cazados (aquellos confinados por imanes enrollados alrededor de los extremos del imán octupolo) deben imitar las aniquilaciones de antiátomos, igual que el verdadero antihidrógeno haría en la trampa.

Las enseñanzas de la antimateria

Antes de 1928, cuando los antielectrones fueron anunciados teóricamente por Paul Dirac, la existencia de la antimateria era insospechada. En 1932, Carl Anderson halló antielectrones (positrones) en restos dejados por rayos cósmicos. Los primeros antiprotones fueron creados deliberadamente en 1955 en el Bevatron de Berkeley, el acelerador de partículas más potente que había en aquel tiempo.

Los físicos no encontraron las razones del porqué la antimateria y la materia no se comportaban de manera simétrica, esto es, obedecer las leyes físicas por igual. Porque si cantidades idénticas de cada una de ellas se habían creado en el big bang deberían haberse aniquilado mutuamente, dejando nada tras de sí.  Y si algo hubiese evitado esa suerte, las mismas cantidades de materia y de antimateria deberían haber permanecido en el cosmos hasta hoy, lo cual no es el caso.

En los años 60 los físicos descubrieron partículas subatómicas que se desintegraban de tal manera que sólo era posible si la simetría conocida como conjugación y paridad de carga (CP) había sido violada en el proceso. Como resultado los investigadores dedujeron que la antimateria debía tener alguna diferencia sutil con la materia ordinaria. Aún así, incluso si algunas antipartículas violaban la simetría CP, ellas mismas se movían hacia atrás en el tiempo para obedecer las mismas leyes físicas que la materia ordinaria, mientras esta se movía hacia adelante en el tiempo. La simetría CPT (T de tiempo) no puede ser violada.

Una manera de examinar estas conclusiones es la de comparar los niveles de energía de los electrones ordinarios orbitando un protón ordinario con los de un positrón orbitando un antiprotón, esto es comparando el espectro del hidrógeno común con el del antihidrógeno. Probar la simetría CPT con el antihidrógeno es el mayor objetivo del experimento ALPHA.

Cómo fabricar y almacenar antihidrógeno

Para hacer antihidrógeno, los aceleradores que alimentan de protones al Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN desvían algunos de ellos para convertirlos en antiprotones haciéndolos chocar violentamente contra un blanco metálico; los antiprotones resultantes entonces son conducidos al anillo decelerador de antimateria del CERN, que es el encargado de entregar los haces de antiprotones al ALPHA y a otro experimento que también se dedica específicamente al estudio de la antimateria.

Wurtele afirmó, "es muy difícil cazar p-barras" (el símbolo del antiprotón es una letra p minúscula con una barra encima) "porque tienes primero que enfriarlos del orden de cien millones de electronvoltios hasta cincuenta millonésimas de electrón voltio".

En el experimento ALPHA los antiprotones atraviesan una serie de barreras físicas, de campos magnéticos y eléctricos, además de nubes de electrones, para lograr enfriarlos. Al final los antiprotones de baja energía son conducidos la zona de la trampa de ALPHA.

Mientras tanto los positrones de baja energía, originados por la descomposición en una fuente de sodio radiactivo, son llevados a la trampa por el lado contrario,  y entonces ambos, positrones y antiprotones, pueden permanecer en secciones separadas de la trampa gracias a una combinación de campos magnéticos y eléctricos-- una nube de positrones suspendidos en el centro y los antiprotones concentrados contra el fondo de la botella.

Para dejar los positrones en la zona central los antiprotones han de ser apartados con ayuda de un campo eléctrico oscilante, que incrementa su velocidad de manera controlada gracias a un fenómeno llamado autoresonancia.

"Es como empujar a un niño en un columpio", aseguró Fajans, que acredita a su estudiante graduado Erik Gilson y a Lazar Friedland, un profesor de la Universidad Hebrea y lector en Berkeley, como los que empezaron a desarrollar esta técnica. "A cuánta altura llega el columpio no tiene mucho que ver en cómo de fuerte lo empujas o cuánto pesa el niño ni cómo de largas son las cadenas si no más bien, en este caso, en cuánto tiempo dejas entre cada empujón".

La nueva técnica de autoresonancia se destaca como esencial a la hora de lograr trasmitir energía de manera precisa a los antiprotones, con el objeto de formar antiátomos a relativamente baja energía. Los nuevos antiátomos son neutros en carga, pero por el hecho de su spin y de la distribución de las cargas opuestas de sus componentes poseen  momento magnético: suficiente energía como para ser cazados en el campo del octupolo magnético y los campos espejo de la Trampa de Campo Magnético Mínimo. De los cientos de átomos de antihidrógeno creados en cada una de las sesiones de un segundo de duración la mayoría son demasiado energéticos para ser cazados y terminan aniquilándose contra las paredes de la trampa.

Liberando los 38 de ALPHA

Después de la mezcla y de la caza, más la limpieza de muchos antiprotones libres que no han llegado a formar antihidrógeno, el imán superconductor que produce el campo de confinamiento es desconectado bruscamente, en apenas unas nueve milésimas de segundo. Esto lleva al imán a sofocarse en una vuelta rápida a la conductividad normal como resultado de un calentamiento rápido y estrés.

"Estos sofocos de milisegundos son insólitos" según afirma Fajans; "apagar deliberadamente un imán superconductor se hace habitualmente miles de veces más despacio sin ahogamientos. Hicimos muchos experimentos en el Laboratorio Berkeley para cerciorarnos de que el imán de ALPHA podría sobrevivir a múltiples sofocos rápidos".

Desde el comienzo del apagado los científicos cuentan con 30 milésimas de segundo para que cualquier átomo de antihidrógeno cazado pueda escapar, al igual que cualquier antiprotón libre puede permanecer aún en la trampa. Rayos cósmicos pueden también pasearse por el lugar durante este intervalo. Con el uso de campos eléctricos para barrer la trampa de partículas cargadas o dirigirlas hacia uno de los fondos del detector o bien al otro y a fuerza de comparar los datos reales con simulaciones informáticas de aniquilaciones de antihidrógeno candidatas y eventos apropiados los investigadores han podido identificar sin lugar a dudas 38 átomos de antihidrógeno, que lograron sobrevivir en la trampa por 172 milisegundos, casi dos décimas de segundo.

Fajans declaró: "nuestro informe en Nature describe el primer éxito de ALPHA atrapando átomos de antihidrógeno, pero estamos mejorando constantemente, tanto el número como el tiempo que somos capaces de retenerlos. Estamos, de hecho, llegando al punto en que podamos hacer alguna clase de experimentos con átomos de antimateria. Los primeros intentos serán muy rudimentarios, pero hay que tener en cuenta el hecho de que nadie ha hecho algo parecido a esto jamás".

Artículos originales:

"Antimatter atoms stored for the first time" (Fuente: Science Daily).

"Antimatter Atoms Successfully Stored for the First Time" (Fuente: DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory).

Bibliografía:

1. G.B. Andresen, M.D. Ashkezari, M. Baquero-Ruiz, W. Bertsche, P.D. Bowe, C.C. Bray, E. Butler, C.L. Cesar, S. Chapman, M. Charlton. Search for trapped antihydrogen. Physics Letters B, 2010; DOI: 10.1016/j.physletb.2010.11.004.

2. G. B. Andresen, M. D. Ashkezari, M. Baquero-Ruiz, W. Bertsche, P. D. Bowe, E. Butler, C. L. Cesar, S. Chapman, M. Charlton, A. Deller, S. Eriksson, J. Fajans, T. Friesen, M. C. Fujiwara, D. R. Gill, A. Gutierrez, J. S. Hangst, W. N. Hardy, M. E. Hayden, A. J. Humphries, R. Hydomako, M. J. Jenkins, S. Jonsell, L. V. Jørgensen, L. Kurchaninov, N. Madsen, S. Menary, P. Nolan, K. Olchanski, A. Olin, A. Povilus, P. Pusa, F. Robicheaux, E. Sarid, S. Seif el Nasr, D. M. Silveira, C. So, J. W. Storey, R. I. Thompson, D. P. van der Werf, J. S. Wurtele, Y. Yamazaki. Trapped antihydrogen. Nature, 2010; DOI: 10.1038/nature09610.