martes, 13 de marzo de 2012

Una porción del experimentoo utilizado para atrapar y manipular el estado de de átomos de antihidrógeno. Créditos Ars Technica.
¿Cuán diferentes son la materia y la antimateria? Esta es una pregunta que llega al corazón de la física moderna de partículas y la cosmología de principios del universo. Los objetos de la experiencia cotidiana están hechos de materia ordinaria. Mientras que algunos procesos naturales producen cantidades limitadas de antimateria, todas las estrellas y la galaxia conocida parecen estar basadas en materia.

Si materia y antimateria son espejos físicos uno del otro, en consecuencia, un átomo de antihidrógeno se comportará de la misma manera que un átomo de hidrógeno normal. Sin embargo, si existe una asimetría entre materia y antimateria, entonces las fuerzas de la naturaleza pueden actuar de manera diferente en la materia y la antimateria.

Un experimento reciente por C. Amole y su equipo ha utilizado átomos de antihidrógeno atrapados para medir una transición cuántica de antihidrógeno. La inversión del spín implica la colocación de antihidrógeno en una cavidad resonante de microondas para manipular las orientaciones relativas de los giros de antiprotones y positrones. Si bien el experimento carece de la precisión necesaria para distinguir las diferencias entre materia y antimateria, pone de relieve cómo proceder en caso de que se tenga que realizar una medición con éxito en un futuro.

Si hay diferencias entre materia y antimateria, podrían hacer sentir su presencia a través de diferencias en el comportamiento de antihidrógeno, que consiste en un positrón (la versión de antimateria de un electrón) y un antiprotón. Sin embargo, para medir esto, tenemos que atrapar suficientes átomos de antimateria para su estudio, que se ha demostrado es difícil. Sin embargo, el CERN está logrando mantener átomos de antihidrógeno el suficiente tiempo para hacer algunas mediciones detalladas sobre las mismos.

Entonces, ¿qué se tiene que medir para ayudarnos a determinar si los átomos y las antiátomos se comportan de manera diferente? Los protones y los electrones interactúan a través de las fuerzas eléctricas que mantienen unidos a los átomos. Pero también interactúan magnéticamente a través de la orientación relativa de sus giros. En el hidrógeno, la alteración de uno o ambos sentidos de giro cambia la energía en el interior del átomo ligeramente, produciendo un fotón con una longitud de onda de 21 centímetros (en la porción de microondas del espectro). La transición se conoce como la inversión del espín, y el pequeño cambio relativo en energía se conoce como la estructura hiperfina del átomo de hidrógeno.

La energía precisa de la inversión del espín puede medirse mediante la colocación de hidrógeno neutro en una cavidad y usando bombardeo de microondas. La frecuencia resonante corresponde a la energía precisa en la inversión del spin.

Debido a la relativa simplicidad de las interacciones implicadas, la estructura hiperfina de hidrógeno es uno de los números más precisamente determinados de toda la ciencia. Por lo tanto, tiene mucho sentido comprobar si los inversión de spin en el antihidrógeno se produce en la misma energía que en el hidrógeno. Desde el punto de vista teórico, si la inversión del espín se produce incluso con una energía ligeramente diferente para antihidrógeno con respecto al hidrógeno, lo que significa una asimetría fundamental en la naturaleza.

El primer obstáculo se está solucionando, el cual consiste en atrapar los suficientes átomos de antihidrógeno para llevar a cabo una medición absoluta. Utilizando el aparato desacelerador de antiprotones del CERN, los investigadores sacrifican antiprotones a baja velocidad (con una temperatura equivalente de 0,5 grados sobre el cero absoluto) y los mezcla con los positrones en frío. Cada ensayo combinado de aproximadamente 2 millones de positrones, con aproximadamente 20,000 antiprotones, ha permitido obtener 6,000 átomos de antihidrógeno. El uso de campos magnéticos para confinar los antiátomos (una técnica estándar que se utiliza en muchos experimentos), ha permitido a Amole y su equipo lograr atrapar un promedio de un átomo de antihidrógeno en cada serie.

Con cantidades tan pequeñas de antiátomos que trabajar, el experimento divide el problema en dos partes: la determinación de si el antihidrógeno tiene una frecuencia de resonancia que corresponde aproximadamente a la estructura hiperfina y medir si esa transición se produce en el mismo lugar para el hidrógeno. Debido al pequeño número de átomos atrapados, los investigadores fueron incapaces de realizar la segunda medición, pero identificaron 23 antiátomos (de los 110 intentos) que sobrevivieron en una frecuencia fuera de la resonancia y 2 (de un total de 103) que sobrevivieron a la frecuencia de resonancia. (Los investigadores también midieron la aniquilación de los antiátomos que se escaparon cuando se incidieron en una vaina que rodea de silicio).

Como reconocen los autores, este es un experimento de prueba de principio: se muestra como más adelante se pueden hacer exámenes para medir la estructura hiperfina real del antihidrógeno. Al aumentar el número de antiátomos atrapados en la cavidad y la reducción de la gama de frecuencias para determinar la frecuencia de resonancia, posteriores experimentos debe ser capaz de determinar si la simetría CPT es violada o no.

El Modelo Estándar de las partículas e interacciones no distingue entre materia y antimateria en cuanto a las fuerzas fundamentales se trate; las energías de las interacciones no se han modificado al intercambio de una partícula con su socia partícula de antimateria. Esta simetría particular se conoce como la CPT, para la carga, la paridad (intercambio de direcciones, como en un espejo), y el tiempo de la inversión. Si antihidrógeno tiene un espectro diferente de la estructura hiperfina de hidrógeno, entonces se viola la simetría CPT para el electromagnetismo, en desacuerdo con las predicciones distintas del Modelo Estándar.

Referencia:

0 comentarios:

Publicar un comentario

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...