Antiprotón
Masa del antiprotón medida con una precisión récord
Como parte de la física actual, la de energías inferiores a las colisiones realizadas en el Tevatron entre protones y antiprotones, todos los eventos del universo observable en la Tierra no son mas que tipos de configuraciones ondulatorias de un campo cuántico relativista. La combinación de las leyes de la mecánica cuántica con las de la relatividad, los campos se describen completamente formados por electrones, protones y neutrones que forman los átomos de nuestros cuerpos, el Sol y los ardientes planetas extrasolares. Hablamos de la última medida de la masa del antiprotón.
Un teorema matemático concerniente a un campo cuántico relativista exige que este campo deba respetar lo que llamamos invariancia CPT. Es evidente que cualquier experimento físico o químico en el universo observable, podría repetirse reemplazando las partículas de materia por antimateria y viceversa, si coges tu imagen en un espejo (por ejemplo invertir la dirección de corriente en una bobina eléctrica) e invertir la dirección de los distintos movimientos, como si el paso del tiempo se invirtiera, y no verás ninguna diferencia.
Durante años, los físicos buscan fenómenos que violen la invariancia CPT. Una de las razones es que esta investigación podría explicar por qué casi no hay antimateria en el universo, cuando la materia y la antimateria deberían haber sido creado en cantidades iguales durante el Big Bang, de acuerdo con las leyes de la física conocida.
Punto de vista de un artista de un antiprotón orbitando en un átomo de helio sometido a un rayo láser (izquierda). © Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching
¿Más allá de la relatividad especial?
Pero en 2002, el famoso investigador Oscar Greenberg, uno de los primeros en proponer la existencia de la carga de color de los quarks, ha demostrado un teorema de consecuencias profundas en lo que concierne a la violación de la invariancia CPT. De acuerdo al teorema de Greenberg, por ejemplo, una diferencia de masa entre un protón y un antiprotón implicaría automáticamente una violación de la invariancia de Lorentz, es decir, ¡una violación de las predicciones de la teoría de la relatividad Einstein!
Huelga decir que la investigación sobre la comparación de las masas de protones y antiprotones se ha convertido en algo aún más interesante. De hecho, durante muchos años, esto es lo que están tratando de hacer que los físicos del CERN con el experimento denominado Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons (Asacusa)
Masaki Hori, Theodor W. Hänsch, del Instituto de Óptica Cuántica Max Planck, también han publican en la revista Nature, con sus colegas, un artículo acerca de los resultados más recientes en esta área. Su conclusión: no hay diferencia medible entre la masa de un protón y la de un antiprotón. Así que no hay evidencia de una violación de la invariancia CPT en este sentido.
Para lograr este increíble increíble, los investigadores han comenzado a obtener antiprotones lentos del desacelerador de antiprotones (Antiproton Decelator) en el CERN. Al pasar en un medio con helio, se obtiene entonces el helio antiprotónico es decir, los átomos de helio en el que uno de los dos electrones que orbitan alrededor del núcleo ha sido sustituido por el antiprotón de carga negativa.
El antiprotón (p bar) se acerca al átomo de helio y choca con uno de los electrones periféricos (1-2). Lo expulsa (3) y lo reemplaza (4) alrededor del núcleo de He++. Un átomo de helio antiprotónico acaba de formarse. © CERN
El antiprotón es 1836.1526736 veces más pesado que el electrón
El átomo de helio es uno de los más sencillos del mundo y el helio antiprotónico es mucho más fácil de producir que el anti-hidrógeno. También puede conservarse durante mucho más tiempo para realizar diversas medidas. Sin embargo, los niveles de energía en un átomo de helio antiprotónico no son los mismos que en un átomo de helio. En ambos casos, estos niveles pueden ser calculados hasta cierto punto. Se puede realizar una medición precisa de las transiciones de antiprotones en un átomo de helio antiprotónico bajo el efecto de la radiación. En comparación con lo que está sucediendo en un átomo de helio, es posible conocer con gran precisión la relación entre la masa del protón y un antiprotón.
Más exactamente, se obtiene una primera determinación de la masa de la relación antiprotón con la del electrón. A medida que la relación de la masa del protón con la del electrón se mide con alta precisión, podemos comparar las masas del protón y un antiprotón.
La evolución del tiempo de medida de la masa del protón/masa del electrón. De 1985 a 2002, las barras de error (verticales) se reducen considerablemente. En 2006 la proporción de masa del antriprotón/ masa del electrón (rojo) pudo ser también determinada. © Stefan Meyer Institute
Sin embargo, la medida es difícil de realizar cuando los átomos de helio antiprotónico están en movimiento debido a la agitación térmica. El ancho de las líneas de emisión va por lo tanto en aumento, disminuyendo a priori la precisión de las medidas. En comparación con una determinación anterior de la masa del antiprotón en 2006, los investigadores han eludido este obstáculo al someter a los átomos de helio a dos rayos láser antiprotónico ajustados con precisión. Este método de espectroscopia láser con dos fotones les ha permitido ganar una precisión de 4 a 6 órdenes de magnitud. Por lo tanto, la relación de la masa del antiprotón con la de los electrones se conoce con una precisión superior a la mil millonésima.
“Hemos medido la masa de la relación antiprotón con la de los electrones con una precisión de 10 dígitos, y nos encontramos con exactamente el mismo valor que el del protón, conocido con una precisión similar. Esto puede ser visto como una confirmación del teorema CPT. Además, hemos aprendido que los antiprotones obedecen las mismas leyes de la óptica cuántica que las partículas normales no lineales, y podemos usar el láser para manipularlas. Con la técnica de dos fotones se espera lograr una precisión mucho mayor en el futuro, por lo que, finalmente, la masa de antiprotones puede ser más conocida que la del protón“, según Masaki Hori.
Más información
Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio