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Antihidrógeno

El antihidrógeno consta de un antiprotón y un positrón.
Modelo simplificado de un átomo de antihidrógeno en estado fundamental

Antihidrógeno (
yo
) es la contraparte antimateria del hidrógeno . Mientras que el átomo de hidrógeno común está compuesto de un electrón y un protón , el átomo de antihidrógeno está compuesto de un positrón y un antiprotón . Los científicos esperan que el estudio del antihidrógeno pueda arrojar luz sobre la cuestión de por qué hay más materia que antimateria en el universo observable, conocido como el problema de asimetría bariónica . [1] El antihidrógeno se produce artificialmente en aceleradores de partículas .

Historia experimental

Los aceleradores detectaron por primera vez antihidrógeno caliente en la década de 1990. ATHENA estudió antihidrógeno frío .
yo
en 2002. Fue atrapado por primera vez por el equipo del Aparato de Física Láser Antihidrógeno ( ALPHA ) en el CERN [2] [3] en 2010, quienes luego midieron la estructura y otras propiedades importantes. [4] ALPHA, AEgIS y GBAR planean enfriar y estudiar aún más
yo
átomos.

Medición de transición de 1 s a 2 s

En 2016, el experimento ALPHA midió la transición electrónica atómica entre los dos niveles de energía más bajos del antihidrógeno, 1s-2s. Los resultados, que son idénticos a los del hidrógeno dentro de la resolución experimental, respaldan la idea de la simetría materia-antimateria y la simetría CPT . [5]

En presencia de un campo magnético, la transición 1s-2s se divide en dos transiciones hiperfinas con frecuencias ligeramente diferentes. El equipo calculó las frecuencias de transición para el hidrógeno normal bajo el campo magnético en el volumen de confinamiento como:

fdd =​2 466 061 103 064 (2) kHz
fcc =​2 466 061 707 104 (2) kHz

Las reglas de selección cuántica prohíben una transición de un solo fotón entre estados s , por lo que para elevar los positrones del estado fundamental al nivel 2s, el espacio de confinamiento se iluminó con un láser sintonizado a la mitad de las frecuencias de transición calculadas, estimulando la absorción de dos fotones permitida .

Los átomos de antihidrógeno excitados al estado 2s pueden entonces evolucionar de una de varias maneras:

Tanto la ionización como el cambio de espín hacen que el átomo escape del confinamiento. El equipo calculó que, suponiendo que el antihidrógeno se comporta como el hidrógeno normal, aproximadamente la mitad de los átomos de antihidrógeno se perderían durante la exposición a la frecuencia de resonancia, en comparación con el caso sin láser. Con la fuente láser sintonizada 200 kHz por debajo de la mitad de las frecuencias de transición, la pérdida calculada fue esencialmente la misma que para el caso sin láser.

El equipo ALPHA preparó lotes de antihidrógeno, los mantuvo durante 600 segundos y luego redujo gradualmente el campo de confinamiento durante 1,5 segundos mientras contaba cuántos átomos de antihidrógeno se aniquilaban. Lo hicieron en tres condiciones experimentales diferentes:

Los dos controles, fuera de resonancia y sin láser, eran necesarios para garantizar que la iluminación del láser en sí no causara aniquilaciones, tal vez al liberar átomos normales de la superficie del recipiente de confinamiento que luego podrían combinarse con el antihidrógeno.

El equipo realizó 11 ejecuciones de los tres casos y no encontró diferencias significativas entre las ejecuciones sin resonancia y sin láser, pero sí una caída del 58% en la cantidad de eventos detectados después de las ejecuciones con resonancia. También pudieron contar los eventos de aniquilación durante las ejecuciones y encontraron un nivel más alto durante las ejecuciones con resonancia, nuevamente sin diferencias significativas entre las ejecuciones sin resonancia y sin láser. Los resultados concordaron bien con las predicciones basadas en hidrógeno normal y pueden "interpretarse como una prueba de simetría CPT con una precisión de 200 ppt". [6]

Características

El teorema CPT de la física de partículas predice que los átomos de antihidrógeno tienen muchas de las características del hidrógeno regular; es decir, la misma masa , momento magnético y frecuencias de transición de estado atómico (ver espectroscopia atómica ). [7] Por ejemplo, se espera que los átomos de antihidrógeno excitados brillen del mismo color que el hidrógeno regular. Los átomos de antihidrógeno deberían ser atraídos a otra materia o antimateria gravitacionalmente con una fuerza de la misma magnitud que experimentan los átomos de hidrógeno ordinarios. [2] Esto no sería cierto si la antimateria tiene masa gravitacional negativa , lo que se considera altamente improbable, aunque aún no se ha refutado empíricamente (ver interacción gravitacional de la antimateria ). [8] Se ha desarrollado un marco teórico reciente para la masa negativa y la gravedad repulsiva (antigravedad) entre la materia y la antimateria, y la teoría es compatible con el teorema CPT. [9]

Cuando el antihidrógeno entra en contacto con la materia ordinaria, sus constituyentes se aniquilan rápidamente . El positrón se aniquila con un electrón para producir rayos gamma . El antiprotón, por otro lado, está formado por antiquarks que se combinan con quarks en neutrones o protones, dando como resultado piones de alta energía , que rápidamente se desintegran en muones , neutrinos , positrones y electrones . Si los átomos de antihidrógeno estuvieran suspendidos en un vacío perfecto , deberían sobrevivir indefinidamente.

Como antielemento, se espera que tenga exactamente las mismas propiedades que el hidrógeno. [10] Por ejemplo, el antihidrógeno sería un gas en condiciones estándar y se combinaría con antioxígeno para formar antiagua,
yo
2
Oh
.

Producción

El primer antihidrógeno fue producido en 1995 por un equipo dirigido por Walter Oelert en el CERN [11] utilizando un método propuesto por primera vez por Charles Munger Jr, Stanley Brodsky e Ivan Schmidt Andrade. [12]

En el LEAR , se dispararon antiprotones desde un acelerador a cúmulos de xenón , [13] produciendo pares electrón-positrón. Los antiprotones pueden capturar positrones con una probabilidad de aproximadamente10 −19 , por lo que este método no es adecuado para una producción sustancial, según lo calculado. [14] [15] [16] Fermilab midió una sección transversal algo diferente, [17] de acuerdo con las predicciones de la electrodinámica cuántica . [18] Ambos dieron como resultado antiátomos altamente energéticos o calientes, inadecuados para un estudio detallado.

Posteriormente, el CERN construyó el Desacelerador de Antiprotones (AD) para apoyar los esfuerzos encaminados a producir antihidrógeno de baja energía, con el fin de realizar pruebas de simetrías fundamentales. El AD abastece a varios grupos del CERN. El CERN espera que sus instalaciones sean capaces de producir 10 millones de antiprotones por minuto. [19]

Antihidrógeno de baja energía

Los experimentos de las colaboraciones ATRAP y ATHENA en el CERN unieron positrones y antiprotones en trampas de Penning , lo que dio como resultado una síntesis a una velocidad típica de 100 átomos de antihidrógeno por segundo. El antihidrógeno fue producido por primera vez por ATHENA en 2002, [20] y luego por ATRAP [21] y para 2004, se habían producido millones de átomos de antihidrógeno. Los átomos sintetizados tenían una temperatura relativamente alta (unos pocos miles de kelvins ) y, como consecuencia, chocaban contra las paredes del aparato experimental y se aniquilaban. La mayoría de las pruebas de precisión requieren largos tiempos de observación.

ALPHA, un sucesor de la colaboración ATHENA, se formó para atrapar antihidrógeno de forma estable. [19] Si bien es eléctricamente neutro, sus momentos magnéticos de espín interactúan con un campo magnético no homogéneo; algunos átomos serán atraídos a un mínimo magnético, creado por una combinación de campos de espejo y multipolares. [22]

En noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que había atrapado 38 átomos de antihidrógeno durante una sexta parte de un segundo, [23] el primer confinamiento de antimateria neutra. En junio de 2011, atraparon 309 átomos de antihidrógeno, hasta 3 simultáneamente, durante hasta 1.000 segundos. [24] Luego estudiaron su estructura hiperfina, los efectos de la gravedad y la carga. ALPHA continuará con las mediciones junto con los experimentos ATRAP, AEgIS y GBAR.

En 2018, AEgIS ha producido una nueva fuente pulsada de átomos de antihidrógeno con un tiempo de producción de tan solo 250 nanosegundos. [25] La fuente pulsada se genera mediante la reacción de intercambio de carga entre átomos de positronio de Rydberg (producidos mediante la inyección de un haz pulsado de positrones en un objetivo de Si nanocanalizado y excitados por pulsos láser) y antiprotones, atrapados, enfriados y manipulados en trampas electromagnéticas. La producción pulsada permite el control de la temperatura del antihidrógeno, la formación de un haz de antihidrógeno y, en la siguiente fase, una medición precisa del comportamiento gravitacional utilizando un interferómetro atómico, el llamado deflectorímetro de Moiré .

Átomos de antimateria más grandes

Átomos de antimateria más grandes, como el antideuterio (
D
), antitritio (
yo
) y antihelio (
Él
) son mucho más difíciles de producir. El antideuterio, [26] [27] antihelio-3 (3
Él
) [28] [29] y antihelio-4 (4
Él
) se han producido núcleos [30] con velocidades tan altas que la síntesis de sus átomos correspondientes plantea varios obstáculos técnicos.

Véase también

Referencias

  1. ^ "Los átomos de antimateria se mantienen acorralados durante más tiempo". BBC News . 2011-06-06 . Consultado el 2023-09-28 .
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  3. ^ eiroforum.org – CERN: Antimateria en la trampa Archivado el 3 de febrero de 2014 en Wayback Machine , diciembre de 2011, consultado el 8 de junio de 2012
  4. ^ "Se investiga por primera vez la estructura interna del antihidrógeno". Physics World . 7 de marzo de 2012.
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