Primera observación del color de la antimateria

En un artículo publicado en la revista Nature, la colaboración del experimento ALPHA informa de la primera medida realizada del espectro óptico de la un átomo de antimateria. Este logro es el resultado de 20 años de investigación de la comunidad científica del CERN dedicada al estudio de la antimateria, y presenta desarrollos tecnológicos que abren una nueva era en la investigación de alta precisión de la antimateria.

“Usar un láser para observar una transición en el antihidrógeno y compararla con el hidrógeno para ver si obedecen a las mismas leyes de la física ha sido un objetivo clave en la investigación de la antimateria”, dice Jeffrey Hangst, portavoz de la colaboración del experimento ALPHA.

Los átomos consisten en electrones que orbitan un núcleo. Cuando los electrones se mueven de una órbita a otra, absorben o emiten luz en longitudes de onda específicas formando el espectro del átomo. Cada elemento tiene un espectro único, que esencialmente determina su color. Por ello la espectroscopía es una herramienta muy usada en muchas áreas de la física, la astronomía y la química, puesto que ayuda a caracterizar átomos y moléculas y sus estados internos. En astrofísica, por ejemplo, analizar el espectro de la luz emitida por estrellas lejanas permite determinar su composición.

Compuesto por un protón y un electrón, el hidrógeno es el átomo más abundante, sencillo y mejor conocido del universo. Su espectro se ha medido con mucha precisión, por lo que su color se conoce muy bien. Los átomos de antihidrógeno, por el contrario, se conocen muy poco. Puesto que el universo parece estar formado por materia, los constituyentes de los átomos de antihidrógeno (antiprotones y positrones) tienen que producirse y unirse en átomos para que el espectro del antihidrógeno pueda medirse. Es un proceso concienzudo, pero merece el esfuerzo puesto que cualquier diferencia entre los espectros del hidrógeno y antihidrógeno podría cuestionar los principios de la física y ayudar a entender el puzle del desequilibrio entre materia y antimateria en el universo.

El resultado de ALPHA publicado hoy es la primera observación de la línea espectral en un átomo de antihidrógeno, lo que permite comparar el color de la materia y la antimateria por primera vez. Con los límites experimentales, el resultado no muestra diferencia comparado con la equivalente línea espectral del hidrógeno, lo que está en acuerdo con el Modelo Estándar de física de partículas, la teoría que describe mejor las partículas y las fuerzas que actúan entre ellas, que establece que hidrógeno y antihidrógeno deben tener idénticas características espectroscópicas.

El misterio de la materia y la antimateria

La colaboración ALPHA espera mejorar la precisión de estas medidas. Medir el espectro del antihidrógeno con alta precisión ofrece una extraordinaria herramienta nueva para comprobar si la materia se comporta de forma distinta a la antimateria, ofreciendo pistas sobre por qué el universo parece estar formado por materia en lugar de antimateria, así como para examinar la robustez del Modelo Estándar de física de partículas.

ALPHA es un experimento único en la instalación Decelerador Antiprotón del CERN, capaz de producir átomos de antihidrógeno y mantenerlos en una trampa magnética especialmente diseñada, manipulándolos uno a uno. Atrapar átomos de antihidrógeno permite estudiarlos mediante láseres y otras fuentes de radiación.

“Mover y atrapar antiprotones o positrones es fácil porque son partículas cargadas”, explica Hangst. “Pero cuando los combinas obtienes antihidrógeno natural, que es mucho más difícil de atrapar. Por eso hemos diseñado una trampa magnética muy especial que se basa en el hecho de que el antihidrógeno es un poco magnético”.

El antihidrógeno se forma mezclando plasmas de unos 90.000 antiprotones del Decelerador Antiprotón con positrones, lo que produce alrededor de 25.000 átomos de antihidrógeno cada vez. Los átomos de antihidrógeno se pueden atrapar si se mueven lo suficientemente despacio cuando se crean. Usando una nueva técnica con la que la colaboración junta antiátomos de dos ciclos de mezcla sucesivos, se pueden atrapar 14 antiátomos de media cada intento, comparado con los 1,2 que permitían dispositivos anteriores. Al iluminar los átomos atrapados con un láser a una frecuencia escogida, se puede observar la interacción con los estados internos del antihidrógeno. La medida se realizó con la observación de la llamada ‘transición 1S-2S’. El estado 2S del hidrógeno atómico es duradero, lo que conduce a una anchura estrecha de la línea natural, por lo que es particularmente adecuado para la medida de precisión.

El resultado actual, junto con límites recientes a la relación de masa antiprotón-electrón realizados por el experimento ASACUSA, y la relación de carga a masa del antiprotón medida por el experimento BASE, demuestra que las pruebas en el CERN para comprobar las simetrías fundamentales con antimateria están evolucionando muy rápidamente.