El CERN produce y atrapa átomos de antimateria

El experimento ALPHA del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) ha realizado un importante avance en el desarrollo de técnicas para conocer uno de los interrogantes más abiertos del Universo: ¿existe alguna diferencia entre materia y antimateria? En un artículo publicado hoy en Nature, la colaboración científica internacional que opera el experimento demuestra que ha producido y atrapado átomos de antihidrógeno durante un tiempo suficiente como para poder estudiarlos. Este desarrollo abre una vía a nuevas formas de realizar medidas detalladas de antihidrógeno, lo que permitirá a los científicos comparar con mayor precisión materia y antimateria.

La antimateria, o más bien la ausencia de ella, sigue siendo uno de los mayores misterios de la ciencia. La materia y su contraparte, la antimateria, son idénticas excepto en que tienen cargas eléctricas opuestas, por lo que ambas se destruyen cuando colisionan generando energía. Según los científicos, en el Big Bang se debieron producir proporciones iguales de materia y antimateria, pero, como sabemos, nuestro Universo está hecho de materia, mientras que la antimateria parece haber desaparecido. Para descubrir qué ocurrió con ella, los científicos emplean una amplia variedad de métodos para investigar cualquier pequeña diferencia en las propiedades de materia y antimateria que pueda aportar alguna explicación.

Uno de estos métodos utiliza uno de los sistemas mejor conocidos en Física, el átomo de hidrógeno, que está formado por un protón y un electrón, para comprobar si su contraparte de antimateria, el antihidrógeno, se comporta de la misma manera. El CERN es el único laboratorio del mundo con un experimento dedicado a la producción de antihidrógeno a bajas energías donde este tipo de investigación se puede llevar a cabo.

Los átomos de antihidrógeno son producidos en condiciones de vacío, pero están rodeados por materia normal. Debido a que la antimateria y la materia se aniquilan cuando colisionan, los átomos de antihidrógeno tienen una vida muy pequeña. Ésta se puede extender usando fuertes y complejos campos magnéticos que los atrapen para prevenir así su contacto con la materia. El experimento ALPHA ha demostrado que es posible retener átomos de antihidrógeno de esta forma durante aproximadamente una décima de segundo, tiempo suficiente para estudiarlos. De los muchos miles de antiátomos que el experimento ha creado, el artículo de ALPHA que publica Nature da cuenta de 38 que han sido atrapados lo suficiente como para ser estudiados.

“Por razones que aún no entendemos, la naturaleza descarta la antimateria”, dijo Jeffrey Hangst, portavoz de ALPHA e investigador de la Universidad de Aarhus (Dinamarca). “Por tanto, es muy gratificante, y un poco abrumador, mirar en el detector ALPHA y ver que contiene átomos estables y neutrales de antimateria. Esto nos inspira para trabajar más duro para ver si la antimateria guarda algún secreto”.

Investigar la antimateria

El programa de investigación en antihidrógeno del CERN se desarrolla desde hace tiempo. En 1995, se produjeron en la sede del experimento en Ginebra (Suiza) los primeros cinco átomos de antihidrógeno “fabricados” por el hombre. Posteriormente, en 2002, los experimentos ATHENA y ATRAP mostraron que era posible producir antihidrógeno en grandes cantidades, abriendo la posibilidad de producir estudios detallados. El nuevo resultado de ALPHA es el último paso en este proceso.

En otro reciente desarrollo en el programa de investigación en antimateria del CERN, el experimento ASACUSA ha demostrado una nueva técnica para producir átomos de antihidrógeno. En un artículo que aparecerá próximamente en Physical Review Letters, la colaboración científica da cuenta del éxito para producir antihidrógeno en la llamada “trampa de Cusp”, un precursor esencial para producir haces de partículas. ASACUSA planea desarrollar esta técnica hasta el punto de crear haces de antihidrógeno que perduren lo suficiente para poder ser estudiados.

“Con dos métodos alternativos de producir y eventualmente estudiar antihidrógeno, la antimateria no podrá ocultarnos sus propiedades durante mucho más tiempo”, manifestó Yasunori Yamazaki, miembro de la colaboración ASACUSA del centro de investigación RIKEN (Japón). “Aún queda camino por recorrer, pero estamos felices de ver lo bien que funciona esta técnica”.

Para Manuel Aguilar, científico del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) que participa en el detector AMS, entre cuyos objetivos está también la detección de antimateria, en este caso en el espacio, “se trata de una experimentación dificilísima. La acumulación de muestras estadísticas importantes permitiría, tal vez en el futuro, estudiar los estados excitados del antiátomo de hidrógeno y compararlos con los espectros del hidrógeno, muy bien estudiados. Caso de detectarse diferencias significativas, algo no esperable a corto plazo, tendríamos un resultado de enorme relevancia, la violación de la simetría CPT, uno de los pilares de la física fundamental”.

“Estos son avances significativos en la investigación en antimateria, y una parte muy importante en el amplio programa de investigación del CERN”, concluyó el director general del Laboratorio, Rolf Heuer. La participación española en los experimentos del CERN se promueve de forma coordinada por el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider formado por 26 grupos científicos de universidades y centros de investigación españoles coordinado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).