Antihidrógeno (
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) es la contraparte de antimateria del hidrógeno . Mientras que el átomo de hidrógeno común está compuesto por un electrón y un protón , el átomo de antihidrógeno está formado por 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 problema de asimetría bariónica . [1] El antihidrógeno se produce artificialmente en aceleradores de partículas .
Los aceleradores detectaron por primera vez antihidrógeno caliente en la década de 1990. ATENEA estudió frío
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en 2002. Fue atrapado por primera vez por el equipo del Aparato de Física Láser Antihidrógeno ( ALPHA ) del CERN [2] [3] en 2010, quienes luego midieron la estructura y otras propiedades importantes. [4] ALPHA, AEgIS y GBAR planean seguir enfriándose y estudiando
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átomos.
En 2016, el experimento ALPHA midió la transición electrónica atómica entre los dos niveles de energía más bajos de antihidrógeno, 1s-2s. Los resultados, que son idénticos a los del hidrógeno dentro de la resolución experimental, apoyan la idea de simetría materia-antimateria y 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 del hidrógeno normal bajo el campo magnético en el volumen de confinamiento como:
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 evolucionar de varias maneras:
Tanto la ionización como el resultado del spin-flip hacen que el átomo escape del confinamiento. El equipo calculó que, asumiendo 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 fabricó 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 fueron aniquilados. Hicieron esto bajo tres condiciones experimentales diferentes:
Los dos controles, fuera de resonancia y sin láser, eran necesarios para garantizar que la propia iluminación láser no causara aniquilaciones, tal vez liberando 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 el número de eventos detectados después de las ejecuciones de resonancia. También pudieron contar los eventos de aniquilación durante las carreras y encontraron un nivel más alto durante las carreras de resonancia, nuevamente sin diferencias significativas entre las carreras sin resonancia y sin láser. Los resultados coincidieron con las predicciones basadas en hidrógeno normal y pueden "interpretarse como una prueba de simetría CPT con una precisión de 200 ppt". [6]
El teorema CPT de física de partículas predice que los átomos de antihidrógeno tienen muchas de las características que tiene el hidrógeno normal; es decir, las mismas frecuencias de transición de masa , momento magnético y estado atómico (ver espectroscopia atómica ). [7] Por ejemplo, se espera que los átomos de antihidrógeno excitados brillen del mismo color que el hidrógeno normal. Los átomos de antihidrógeno deberían ser atraídos gravitacionalmente por otra materia o antimateria con una fuerza de la misma magnitud que experimentan los átomos de hidrógeno ordinarios. [2] Esto no sería cierto si la antimateria tuviera masa gravitacional negativa , lo cual se considera muy 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 materia y 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 descomponen 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 el antioxígeno para formar antiagua,
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2
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.
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 de un acelerador a grupos 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 hacia el antihidrógeno de baja energía, para pruebas de simetrías fundamentales. La AD abastece a varios grupos del CERN. El CERN espera que sus instalaciones sean capaces de producir 10 millones de antiprotones por minuto. [19]
Los experimentos realizados por las colaboraciones ATRAP y ATHENA en el CERN reunieron 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 en 2004, se formaron millones de átomos de antihidrógeno. Los átomos sintetizados tenían una temperatura relativamente alta (algunos miles de Kelvin ) y, como consecuencia, chocarían contra las paredes del aparato experimental y se aniquilarían. La mayoría de las pruebas de precisión requieren largos tiempos de observación.
ALPHA, sucesora 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 por un mínimo magnético, creado por una combinación de campos especulares y multipolares. [22]
En noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que había atrapado 38 átomos de antihidrógeno durante una sexta parte de 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 produjo 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 (producida mediante la inyección de un haz de positrones pulsado en un objetivo de Si nanocanalizado y excitado por pulsos láser) y antiprotones, atrapados, enfriados y manipulados en trampas electromagnéticas. La producción pulsada permite controlar la temperatura del antihidrógeno, la formación de un haz de antihidrógeno y, en la siguiente fase, una medición precisa del comportamiento gravitacional mediante un interferómetro atómico, el llamado deflectormetro Moiré .
Átomos de antimateria más grandes como el antideuterio (
D
), antitritio (
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), y antihelio (
Él
) son mucho más difíciles de producir. Antideuterio, [26] [27] antihelio-3 (3
Él
) [28] [29] y antihelio-4 (4
Él
) los núcleos [30] se han producido a velocidades tan altas que la síntesis de sus átomos correspondientes plantea varios obstáculos técnicos.
FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... experimentos p y H