Un experimento del CERN mide nuevos efectos cuánticos en la antimateria

Trabajando con antihidrógeno, la contraparte de antimateria del hidrógeno, científicos del experimento ALPHA del CERN informan esta semana en la revista Nature que han logrado medir ciertos efectos cuánticos por primera vez en estos ‘antiátomos’.

Los efectos, relacionados con la estructura fina y una pequeña diferencia en los niveles energéticos del hidrógeno conocido como efecto Lamb, se sabe que se producen en la materia. Con estudios como este se intentan encontrar diferencias entre el comportamiento de la materia y la antimateria, pero todavía no se han observado.

De momento, los resultados muestran que las mediciones son consistentes con las propiedades y predicciones teóricas de los efectos en el hidrógeno ‘normal’, además de servir para allanar el camino para tomar medidas cada vez más precisas de estos valores.

"Encontrar cualquier diferencia entre las dos formas de materia sacudiría los cimientos del modelo estándar de física de partículas, y estas nuevas mediciones exploran aspectos de la interacción de la antimateria, como el efecto Lamb, que siempre hemos querido abordar", dice el investigador Jeffrey Hangst, portavoz del experimento ALPHA.

“Lo siguiente en nuestra lista será enfriar grandes muestras de antihidrógeno usando técnicas de enfriamiento láser de última generación –adelanta–. Estos métodos transformarán los estudios de antimateria y permitirán realizar comparaciones de alta precisión sin precedentes entre la materia y la antimateria".

El equipo de ALPHA crea los átomos de antihidrógeno uniendo antiprotones entregados por el desacelerador antiprotón del CERN con antielectrones, más comúnmente llamados positrones.

Instalaciones del experimento ALPHA en la sala del desacelerador antiprotón del CERN que facilita los antiprotones. (Foto: CERN)

Los antihidrógenos se confinan luego en una trampa magnética con ultravacío, lo que les impide entrar en contacto con la materia y aniquilarse. Después se proyecta luz láser sobre estos átomos de antimateria atrapados para medir su respuesta espectral.

Con esta técnica se midió la estructura fina y el efecto Lamb (en inglés, Lamb shift), que corresponden a pequeñas divisiones en ciertos niveles de energía del átomo. En este caso, se han registrado por primera vez en átomos de antihidrógeno, donde los investigadores ya habían analizado otros efecto cuánticos, como la llamada transición Lyman-alfa.

La estructura fina se midió en hidrógeno atómico hace más de un siglo, y sentó las bases para introducir na constante fundamental de la naturaleza que describe la fuerza de la interacción electromagnética entre partículas elementales cargadas.

Por su parte, el efecto Lamb fue descubierto en este mismo átomo, el más sencillo de todos, hace unos 70 años. Supuso un elemento clave en el desarrollo de la electrodinámica cuántica, la teoría sobre cómo interactúan la materia y la luz.

La medición del Lamb shift, que le valió a Willis Lamb el Premio Nobel de Física en 1955, se dio a conocer en 1947 en la famosa conferencia de Shelter Island, el primer encuentro importante de la comunidad de físicos de EE UU tras la Segunda Guerra Mundial.

No es fácil entender los detalles de la estructura fina y el efecto Lamb sin ser un experto en física de partículas. Los dos conceptos son pequeñas divisiones en ciertos niveles de energía (o líneas espectrales) de un átomo, que pueden estudiarse con espectroscopía. La división de estructura fina del segundo nivel de energía del hidrógeno es una separación entre los llamados niveles 2P3/2 y 2P1/2 en ausencia de un campo magnético. Es causada por la interacción entre la velocidad del electrón del átomo y su rotación (cuántica) intrínseca. El Lamb shift 'clásico' es la división entre los niveles 2S1/2 y 2P1/2, también en ausencia de un campo magnético. Es el resultado del efecto en el electrón de las fluctuaciones cuánticas asociadas con los fotones virtuales que aparecen y desaparecen en el vacío.

En su nuevo estudio, el equipo de ALPHA determinó la división de estructura fina y el efecto Lamb al inducir y estudiar las transiciones entre el nivel de energía más bajo de antihidrógeno y los niveles de 2P3/2 y 2P1/2 en presencia de un campo magnético de un tesla (unidad de inducción magnética). Utilizando el valor de la frecuencia de una transición que habían medido previamente, la transición 1S – 2S, y suponiendo que ciertas interacciones cuánticas eran válidas para el antihidrógeno, los investigadores dedujeron de sus resultados los valores de la división de estructura fina y el cambio de Lamb. Descubrieron que los valores inferidos son consistentes con las predicciones teóricas de las divisiones en hidrógeno 'normal', dentro de la incertidumbre experimental del 2% para la división de estructura fina y del 11% para el desplazamiento de Lamb. (Fuente: CERN)