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Impresión artística de un átomo de antihidrógeno -un antiprotón de carga negativa orbitado por un antielectrón de carga positiva, o positrón- atrapado por campos magnéticos. (Gráfico de Katie Bertsche) (Haga clic en la imagen para obtener la mejor resolución.)
La colaboración ALPHA, un equipo internacional de científicos que trabaja en el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, cerca de Ginebra (Suiza), ha atrapado y almacenado por primera vez átomos de antimateria. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE.UU. y de la Universidad de California en Berkeley han hecho contribuciones clave al esfuerzo internacional en curso.
ALPHA almacenó átomos de antihidrógeno, que consisten en un único antiprotón con carga negativa orbitado por un único antielectrón con carga positiva (positrón). Aunque el número de antiátomos atrapados es demasiado pequeño para alimentar el reactor de materia-antimateria de la nave estelar Enterprise, este avance acerca el día en que los científicos podrán realizar pruebas de precisión de las simetrías fundamentales de la naturaleza. Las mediciones de los antiátomos podrían revelar cómo la física de la antimateria difiere de la de la materia ordinaria que domina el mundo que conocemos hoy.
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Otros dos equipos fabricaron por primera vez en el CERN grandes cantidades de átomos de antihidrógeno hace ocho años. Aunque fabricaron antimateria, no pudieron almacenarla, porque los antiátomos tocaron las paredes de materia ordinaria de los experimentos en millonésimas de segundo tras formarse y se aniquilaron instantáneamente, es decir, se destruyeron por completo al convertirse en energía y otras partículas.
«Atrapar el antihidrógeno resultó ser mucho más difícil que crear antihidrógeno», afirma Joel Fajans, miembro del equipo de ALPHA, científico de la División de Investigación de Aceleradores y Fusión (AFRD) del Laboratorio de Berkeley y profesor de física en la UC Berkeley. «ALPHA produce rutinariamente miles de átomos de antihidrógeno en un solo segundo, pero la mayoría son demasiado ‘calientes'» -demasiada energía- «para ser retenidos en la trampa. Tenemos que tener suerte para atrapar uno».
La colaboración de ALPHA lo consiguió utilizando una botella magnética especialmente diseñada, llamada trampa de campo magnético mínimo. El componente principal es un imán octópolo (de ocho polos magnéticos) cuyos campos mantienen a los antiátomos alejados de las paredes de la trampa y, por tanto, impiden que se aniquilen. Fajans y sus colegas del AFRD y de la UC propusieron, diseñaron y probaron el imán octópolo, que se fabricó en Brookhaven. El miembro del equipo ALPHA Jonathan Wurtele de AFRD, también profesor de física en la UC Berkeley, dirigió un equipo de miembros del personal del Laboratorio de Berkeley y de científicos visitantes que utilizaron simulaciones por ordenador para verificar las ventajas de la trampa octópola.
En un próximo número de Nature que ya está en línea, el equipo ALPHA informa de los resultados de 335 pruebas experimentales, cada una de las cuales duró un segundo, durante las cuales se crearon y almacenaron los antiátomos. Los ensayos se repitieron a intervalos nunca inferiores a 15 minutos. Para formar antihidrógeno durante estas sesiones, se mezclaron antiprotones con positrones dentro de la trampa. En cuanto el imán de la trampa se «apagaba», se liberaban los antiátomos atrapados y su posterior aniquilación se registraba mediante detectores de silicio. De este modo, los investigadores registraron 38 átomos de antihidrógeno, que habían permanecido en la trampa durante casi dos décimas de segundo.
Las posiciones de las 38 aniquilaciones de antiátomos reales (círculos y triángulos) coinciden con la distribución predicha del antihidrógeno (puntos grises en el panel superior) pero no con la distribución simulada de antiprotones desnudos (puntos de color en el panel inferior). Los antiprotones desnudos cargados se dirigirían a diferentes grupos por medio de diferentes campos eléctricos (sesgo rojo a la derecha, azul a la izquierda, verde sin sesgo), pero los antiátomos son neutros, por lo que su distribución no se ve afectada. (La estrella violeta es un positrón energético.) (Haga clic en la imagen para obtener la mejor resolución.)
«La prueba de que hemos atrapado antihidrógeno se basa en establecer que nuestra señal no se debe a un fondo», dice Fajans. Aunque es probable que se hayan capturado muchos más de 38 átomos de antihidrógeno durante las 335 pruebas, los investigadores tuvieron cuidado de confirmar que cada evento candidato era de hecho una aniquilación de antiátomos y no era el paso de un rayo cósmico o, más difícil de descartar, la aniquilación de un antiprotón desnudo.
Para discriminar entre los eventos reales y el fondo, el equipo de ALPHA utilizó simulaciones por ordenador basadas en cálculos teóricos para mostrar cómo se distribuirían los eventos de fondo en el detector frente a cómo aparecerían las aniquilaciones reales de antihidrógeno. Fajans y Francis Robicheaux, de la Universidad de Auburn, contribuyeron con simulaciones de cómo los antiprotones atrapados en el espejo (los confinados por las bobinas del imán alrededor de los extremos del imán octupolar) podrían imitar las aniquilaciones de los antiátomos, y cómo se comportaría el antihidrógeno real en la trampa.
Aprendiendo de la antimateria
Antes de 1928, cuando los antielectrones fueron predichos sobre bases teóricas por Paul Dirac, la existencia de la antimateria era insospechada. En 1932, Carl Anderson encontró antielectrones (positrones) en restos de rayos cósmicos. Los primeros antiprotones se crearon deliberadamente en 1955 en el Bevatron del Laboratorio de Berkeley, el acelerador de partículas de mayor energía de su época.
Al principio, los físicos no veían ninguna razón para que la antimateria y la materia no se comportaran de forma simétrica, es decir, obedecieran las leyes de la física de la misma manera. Pero si así fuera, se habrían formado cantidades iguales de cada una en el big bang, en cuyo caso se habrían aniquilado mutuamente, sin dejar nada. Y si de alguna manera se evitara ese destino, deberían quedar cantidades iguales de materia y antimateria en la actualidad, lo que claramente no es el caso.
En la década de 1960, los físicos descubrieron partículas subatómicas que decaían de una 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 se dieron cuenta de que la antimateria debía comportarse de forma ligeramente diferente a la materia ordinaria. Sin embargo, aunque algunas antipartículas violen la CP, las antipartículas que se mueven hacia atrás en el tiempo deberían obedecer las mismas leyes físicas que las partículas ordinarias que se mueven hacia delante. La simetría CPT (T es para el tiempo) no debería ser violada.
Una forma de probar esta suposición sería comparar los niveles de energía de los electrones ordinarios que orbitan alrededor de un protón ordinario con los niveles de energía de los positrones que orbitan alrededor de un antiprotón, es decir, comparar los espectros de los átomos de hidrógeno ordinario y antihidrógeno. Comprobar la simetría CPT con átomos de antihidrógeno es uno de los principales objetivos del experimento ALPHA.
Cómo fabricar y almacenar antihidrógeno
Para fabricar antihidrógeno, los aceleradores que alimentan de protones al Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN desvían algunos de ellos para fabricar antiprotones golpeándolos contra un blanco metálico; los antiprotones resultantes se mantienen en el anillo del Decelerador de Antimateria del CERN, que entrega racimos de antiprotones a ALPHA y a otro experimento de antimateria.
Wurtele afirma que «es difícil capturar barras p» -el símbolo del antiprotón es una letra p minúscula con una barra encima- «porque hay que enfriarlos hasta que pasen de cien millones de electronvoltios a cincuenta millonésimas de electronvoltio»
En el experimento ALPHA los antiprotones pasan por una serie de barreras físicas, campos magnéticos y eléctricos, y nubes de electrones fríos, para enfriarlos aún más. Finalmente, los antiprotones de baja energía se introducen en la región de captura de ALPHA.
Mientras tanto, los positrones de baja energía, procedentes de desintegraciones en una fuente de sodio radiactivo, se introducen en la trampa desde el extremo opuesto. Al ser partículas cargadas, tanto los positrones como los antiprotones pueden mantenerse en secciones separadas de la trampa mediante una combinación de campos eléctricos y magnéticos: una nube de positrones en un «pozo superior» en el centro y los antiprotones en un «pozo inferior» hacia los extremos de la trampa.
Para unirse a los positrones en su pozo central, los antiprotones deben ser empujados cuidadosamente por un campo eléctrico oscilante, que aumenta su velocidad de forma controlada a través de un fenómeno llamado autoresonancia.
«Es como empujar a un niño en un columpio del patio de recreo», dice Fajans, que atribuye a su antiguo estudiante de posgrado Erik Gilson y a Lazar Friedland, profesor de la Universidad Hebrea y visitante en Berkeley, el desarrollo temprano de la técnica. «La altura que alcanza el columpio no tiene tanto que ver con la fuerza con la que se empuja o el peso del niño o la longitud de las cadenas, sino con la sincronización de los empujones.»
Los antiprotones y los positrones se introducen en la trampa ALPHA desde extremos opuestos y son retenidos por los campos eléctricos y magnéticos. Al juntarse, forman antiátomos neutros en carga pero con un momento magnético. Si su energía es lo suficientemente baja, pueden ser retenidos por el octuplo y los campos espejo de la trampa de campo magnético mínimo. (Haga clic en la imagen para obtener la mejor resolución.)
La novedosa técnica de autoresonancia resultó ser esencial para añadir energía a los antiprotones con precisión, con el fin de formar antiátomos de energía relativamente baja. Los antiátomos recién formados tienen carga neutra, pero debido a su espín y a la distribución de las cargas opuestas de sus componentes, tienen un momento magnético; siempre que su energía sea lo suficientemente baja, pueden ser capturados en el campo magnético octupolar y en los campos espejo de la trampa de campo magnético mínimo.
De los miles de átomos de antihidrógeno que se forman en cada sesión de mezcla de un segundo, la mayoría son demasiado energéticos para ser retenidos y se aniquilan contra las paredes de la trampa.
Liberación del ALPHA 38
Después de la mezcla y el atrapamiento -además de la «limpieza» de los muchos antiprotones desnudos que no han formado antihidrógeno- el imán superconductor que produce el campo de confinamiento se apaga bruscamente, en apenas nueve milésimas de segundo. Esto hace que el imán se «apague», un rápido retorno a la conductividad normal que provoca un rápido calentamiento y tensión.
«Los apagados de un milisegundo son casi inauditos», dice Fajans. «Apagar deliberadamente un imán superconductor suele hacerse miles de veces más lentamente, y no con un quench. Hicimos muchos experimentos en el Laboratorio Berkeley para asegurarnos de que el imán ALPHA pudiera sobrevivir a múltiples apagados rápidos».
Desde el inicio del apagado, los investigadores dejaron pasar 30 milésimas de segundo para que cualquier antihidrógeno atrapado escapara de la trampa, así como cualquier antiprotón desnudo que pudiera estar todavía en la trampa. Los rayos cósmicos también podrían deambular por el experimento durante este intervalo. Utilizando campos eléctricos para barrer la trampa de partículas cargadas o dirigirlas hacia un extremo u otro de los detectores, y comparando los datos reales con simulaciones por ordenador de posibles aniquilaciones de antihidrógeno y sucesos similares, los investigadores pudieron identificar inequívocamente 38 átomos de antihidrógeno que habían sobrevivido en la trampa durante al menos 172 milisegundos, casi dos décimas de segundo.
Dice Fajans: «Nuestro informe en Nature describe los primeros éxitos de ALPHA a la hora de atrapar átomos de antihidrógeno, pero estamos mejorando constantemente el número y el tiempo que podemos retenerlos. Nos estamos acercando al punto en el que podemos hacer algunas clases de experimentos con átomos de antimateria. Los primeros intentos serán burdos, pero nadie ha hecho nunca nada parecido.»
«Antihidrógeno atrapado», por Gorm Andresen, Mohammad Dehghani Ashkezari, Marcelo Baquero-Ruiz, Will Bertsche, Paul Bowe, Eoin Butler, Claudio Lenz Cesar, Steve Chapman, Michael Charlton, Adam Deller, Stefan Eriksson, Joel Fajans, Tim Friesen, Makoto Fujiwara, Dave Gill, Andrea Gutierrez, Jeffrey Hangst, Walter Hardy, Mike Hayden, Andrew Humphries, Richard Hydomako, Matthew Jenkins, Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, Art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif el Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman So, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele y Yasunori Yamazaki, está disponible en la publicación online anticipada de Nature. ALPHA cuenta con el apoyo parcial de la Fundación Nacional de la Ciencia y de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
El Laboratorio de Berkeley es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos gestionado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencia del DOE. Visite nuestra página web.