Atrapan antiátomos

Instalaciones del experimento ALPHA. Fuente: Maximilien Brice/CERN.

Consiguen producir, atrapar y almacenar durante un tiempo antihidrógeno. Esto permitirá comprobar una de las simetrías fundamentales de la naturaleza.

Se ha conseguido a atrapar y almacenar por primera vez átomos de antimateria, en concreto de antihidrógeno. Este hito se ha logrado en el grupo ALPHA del CERN, proyecto en el que también han trabajado científicos de la Universidad de Berkeley y de otras 12 instituciones internacionales.El antihidrógeno está compuesto un antiprotón que tiene carga negativa y un positrón, que orbita alrededor de él, que tiene carga positiva. Aunque la cantidad almacenada es muy pequeña e insuficiente para permitirnos viajar a otras estrellas o volar el Vaticano, permitirá a los físicos hacer experimentos únicos en el próximo futuro con los que conocer mejor las simetrías de la Naturaleza. Haciendo medidas de precisión sobre antiátomos se podrán ver las diferencias entre materia y antimateria y por qué el Universo eligió la primera sobre la segunda para crear los objetos materiales que contiene.
Fabricar antimateria es relativamente fácil, pero conseguir antiátomos es muy complicado. Las antipartículas generadas en los choques de los aceleradores de partículas están muy “calientes”, es decir, se mueven a muy alta velocidad y enfriarlas no es sencillo. Además pueden interaccionar con la materia ordinaria de la que están hechos todos nuestros dispositivos y entonces aniquilarse con partículas y desaparecer.

Si se consiguen enfriar positrones y antiprotones como para formar antihidrógeno, presumiblemente en el vacío, hay que detener el movimiento de dichos antiátomos y aislarlos de los átomos de materia ordinaria que les rodean para que tampoco se aniquilen. Hace ya ocho años que otros equipos del CERN consiguieron producir antihidrógeno en “grandes” cantidades, pero no pudieron almacenarlo.
Aunque ALPHA produce miles de átomos de antihidrógeno en un segundo, están tan calientes, son tan energéticos, que no hay manera de detenerlos antes de que se aniquilen contra las paredes del sistema.Estos investigadores usaron una botella magnética especialmente diseñada para atrapar antihidrógeno. El componente principal de esta botella es un octupolo magnético que mantiene a los pocos antiátomos fríos conseguidos lejos de las paredes de la trampa, evitando así su aniquilación.
En el informe los investigadores cuentan que se realizaron 335 intentos de 1 segundo de duración espaciados 15 minutos entre sí durante los cuales se creaban y atrapaba algún antiátomo de vez en cuando. Los positrones se mezclaban con antiprotones dentro de la trampa y cuando se desactivaba el campo magnético los antihidrógenos generados eran liberados, aniquilándose contra las paredes (produciendo piones entre otras partículas). Estos eventos producían radiación que un detector de silicio registraba. De este modo, los investigadores registraron 38 antihidrógenos que habían sido mantenidos en la trampa al menos durante 2 décimas de segundo. Esto hace un promedio de 1 antiátomo atrapado por cada diez intentos, más o menos.
Un cuidadoso examen de las señales registradas permitió eliminar los casos de eventos debidos a los rayos cósmicos o a la radiación de fondo.
Para fabricar antiprotones se usan algunos protones acelerados por el LHC que se lanzan sobre un blanco metálico, produciéndose antiprotones entre otras partículas. Estos antiprotones son almacenados en el anillo de antimateria del CERN que es el que proporciona antiprotones a ALPHA. Hay que enfriarlos desde cientos de millones de eV a 50 millonésimas de eV. Esto se consigue en el experimento ALPHA haciéndolos pasar por nubes de electrones, barreras físicas, campos magnéticos y campos eléctricos. Así, cuando llegan a la zona de la trampa ya están lo suficientemente fríos.Mientras tanto positrones de baja energía producidos por el decaimiento radiactivo del isótopo sodio 22 se llevan a la trampa por el lado opuesto en forma de una nube de positrones.



En cada intento se mezclan unos 10 millones de antiprotones a una temperatura equivalente de 70 grados bajo cero con 700 millones de positrones a 230 grados bajo cero. Pero esas son sus temperaturas medias, hay unas pocas partículas que estén muy cerca del cero absoluto y que puedan formar antiátomos que se queden atrapados más fácilmente.Para hacer que positrones y antiprotones se combinen en antihidrógeno se utilizan oscilaciones de campo eléctrico para así controlar la velocidad de los positrones gracias a la autorresonancia. Esta técnica de autorresonancia a terminando siendo esencial en el proceso.Los antiátomos producidos son naturalmente neutros, pero gracias su spin y a la distribución opuesta de cargas tienen momento magnético y pueden, por tanto, ser confinados por el octupolo.

La mayoría de los antihidrógenos formados son demasiado energéticos y escapan de la trampa aniquilándose con la materia de las paredes, pero unos cuantos son finalmente atrapados. Estos antiátomos son liberados cuando el campo magnético producido por el octupolo se apaga.Los investigadores esperan mejorar el proceso y aumentar el número de antiátomos atrapados y hacerlo durante más tiempo. Si lo consiguen se podrán realizar experimentos espectroscópicos muy interesantes. Aunque conseguir el cuarto de gramo que propuso Dan Brown en su novela está muy muy lejos.Antes de que en 1928 Dirac predijera la existencia de la antimateria no se sospechaba de su existencia. En 1932 Carl Anderson detectó por primera vez antimateria en forma de positrones producidos por los rayos cósmicos en la atmósfera terrestre.

En un principio los físicos no encontraron ninguna razón por la cual el Universo esté hecho de materia en lugar de antimateria. Parecía haber una simetría perfecta. En teoría, durante el Big Bang debía de haberse generado la misma cantidad de materia y antimateria y debían de haberse aniquilado totalmente dejando un Universo de pura radiación.En los sesenta se descubrió que la simetría CP (carga y paridad) se rompía en determinadas reacciones subatómicas, por lo que se abría la posibilidad de que primase la materia sobre la antimateria. Pero si se permite que las antipartículas se muevan atrás en el tiempo aparece otra simetría (CPT) que no se violaría. Esta inversión temporal se debe a que las leyes de la Física a este nivel son invariantes respecto a la flecha del tiempo.

Todavía no se han encontrado pruebas de que se viole la simetría CPT.
Una manera, entre otras, de ver si la simetría es violada o no consistiría en comparar las transiciones electrónicas de los electrones de átomos ordinarios con la de sus correspondientes positrones en antiátomos. Y esto se puede hacer comparando sus espectros, nada más fácil. Pero conseguir suficientes antiátomos como para tomar un espectro no es sencillo.La idea sería estudiar antiátomos con espectroscopia láser para determinar sus niveles de energía. Para ello se necesita tener, como mínimo, unos 100 antiátomos juntos durante unos segundos. Es aquí donde entra ALPHA y este tipo de experimentos.Si se rompe la simetría CPT quizás incluso la Relatividad Especial tendría dificultades, pues esta teoría asume la invarianza Lorentz, que requiere la simetría CPT para ser mantenida.Muchos físicos asumen que la simetría CPT debe violarse y se sorprenderían mucho si no fuera así.
Recordemos que todo esto empezó con Paul Dirac, que guiándose por la belleza, concibió la antimateria antes de que fuera descubierta. Basándose en las Matemáticas logró imaginar en su mente lo que más tarde se supo que constituyó casi la mitad del Cosmos una fracción de segundo después del Big Bang. Es la misma antimateria que, gracias a la PET, nos permite ahora diagnosticar un corazón enfermo o visualizar cómo funciona nuestro cerebro, un cerebro similar al que una vez albergó la mente de Dirac. Una mente que seguro se interesaría mucho en este experimento.
Es la antimateria que circula por los aceleradores de partículas, la misma que nos ayuda a comprender el Universo y sus simetrías. La misma antimateria que quizás algún día permita a nuestros descendientes viajar a las estrellas.

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/abs/nature09610.html