El Aparato de Física Láser de Antihidrógeno ( ALPHA ), también conocido como AD-5 , es un experimento del Desacelerador de Antiprotones del CERN , diseñado para atrapar antihidrógeno en una trampa magnética con el fin de estudiar sus espectros atómicos . El objetivo final del experimento es probar la simetría CPT mediante la comparación de los espectros respectivos de hidrógeno y antihidrógeno. [1] Entre los científicos que participan en ALPHA se incluyen antiguos miembros del experimento ATHENA (AD-1), el primero en producir antihidrógeno frío en 2002.
El 27 de septiembre de 2023, los colaboradores de ALPHA publicaron hallazgos que sugieren que la antimateria interactúa con la gravedad de una manera similar a la materia regular, lo que respalda una predicción del principio de equivalencia débil . [2] [3]
Trabajar con antimateria presenta varios desafíos experimentales. Las trampas magnéticas, en las que los átomos neutros quedan atrapados utilizando sus momentos magnéticos , son necesarias para evitar que la antimateria se aniquile con la materia, pero son notoriamente débiles. Solo se pueden atrapar átomos con energías cinéticas equivalentes a menos de un kelvin. Los proyectos ATHENA y ATRAP (AD-2) produjeron antihidrógeno fusionando plasmas fríos de positrones y antiprotones . Si bien este método ha sido bastante exitoso, crea átomos de antimateria con energías cinéticas demasiado grandes para quedar atrapados. Además, para realizar espectroscopia láser en estos átomos de antimateria, deben estar en su estado fundamental , algo que no parece ser el caso de la mayoría de los átomos de antimateria creados con esta técnica.
Los antiprotones se reciben del desacelerador de antiprotones y se "mezclan" con positrones de un acumulador de positrones especialmente diseñado en una trampa de Penning versátil . La región central donde tiene lugar la mezcla y, por lo tanto, la formación de antihidrógeno está rodeada por un imán octopolar superconductor y dos "bobinas de espejo" de solenoide cortas separadas axialmente para formar una trampa magnética de "mínimo B ". Una vez atrapado, el antihidrógeno puede someterse a estudio y las mediciones pueden compararse con las del hidrógeno.
Para detectar el antihidrógeno atrapado, ALPHA también incluye un "detector de vértices de silicio": un detector cilíndrico compuesto por tres capas de tiras de silicio. Cada tira actúa como un detector para las partículas cargadas que pasan a través de ella. Al registrar cómo se excitan las tiras, ALPHA puede reconstruir los rastros de las partículas que viajan a través del detector. Cuando un antiprotón se aniquila, el proceso generalmente da como resultado la emisión de 3 o 4 piones cargados . Al reconstruir sus rastros a través del detector, se puede determinar la ubicación de la aniquilación. Estos rastros son bastante distintos de los de los rayos cósmicos que también se detectan, pero debido a su alta energía pasan directamente a través del detector.
Para confirmar que el atrapamiento fue exitoso, el imán ALPHA que crea el campo B mínimo fue diseñado para permitir una desenergización rápida y repetida. La disminución de la corriente durante la desenergización tiene una duración característica de 9 ms, órdenes de magnitud más rápida que la de sistemas similares. En teoría, la rápida velocidad de apagado y la capacidad de suprimir señales falsas de rayos cósmicos permiten a ALPHA detectar la liberación de átomos individuales de antihidrógeno durante la desenergización.
Uno de los principales retos de trabajar con antihidrógeno es enfriarlo lo suficiente para poder atraparlo. Los antiprotones y positrones no se enfrían fácilmente a temperaturas criogénicas , por lo que para ello ALPHA ha implementado una técnica bien conocida de la física atómica conocida como enfriamiento por evaporación . [4] Las trampas de mínima B de última generación, como la que utiliza ALPHA, tienen profundidades del orden de 1 Kelvin.
Un experimento preliminar realizado en 2013 descubrió que la masa gravitacional de los átomos de antihidrógeno estaba entre -65 y 110 veces su masa inercial , lo que dejaba un margen considerable para el refinamiento utilizando un mayor número de átomos de antihidrógeno más fríos. [5]
ALPHA ha logrado enfriar con láser átomos de antihidrógeno, una técnica conocida como que se demostró por primera vez en materia normal en 1978. [6] [7] [8]
El 27 de septiembre de 2023, el equipo ALPHA publicó un artículo que respalda la predicción de que la interacción gravitacional de la antimateria es similar a la de la materia regular. Para que el principio de equivalencia débil de la relatividad general sea correcto, se requiere que las dos sustancias muestren propiedades gravitacionales idénticas. [2] [3] Los hallazgos descartan una "antigravedad repulsiva", como teorizaron previamente algunos expertos en el campo.
Entre los colaboradores de ALPHA se encuentran las siguientes instituciones:
Récord del experimento ALPHA en INSPIRE-HEP