El helio antiprotónico permite obtener la medida más precisa de la masa del antiprotón

Imagina que en un átomo de helio cambiamos un electrón por un antiprotón. Parece imposible. Pero cuando se utiliza helio líquido para detener un haz de antiprotones, el 3,6% de los antiprotones quedan atrapados en los átomos de helio en un estado metaestable, con una vida media de unos 3 microsegundos, algo conocido desde 1991. Hoy, tras 20 años, se publica en Nature el primer artículo que estudia las propiedades de estos exóticos átomos de helio (el helio antiprotónico contiene dos protones en su núcleo orbitados por un antiprotón y un electrón). Masaki Hori y sus colegas han medido las transiciones entre los estados energéticos del helio antiprotónico con una precisión sin precedentes. Como resultado se ha obtenido una medida sin precedentes del cociente entre la masa del antiprotón y la del electrón, en concreto 1 836,152 67 36 (23), entre paréntesis está el error en los dos últimos dígitos, una precisión comparable a la obtenida para el cociente entre la masa del protón y la del antiprotón. Para el antiprotón supone una mejora en un factor de 10 000 respecto a resultados previos. Esta medida es más precisa obtenida hasta el momento sobre la simetría materia-antimateria. Nos lo ha contado Mike Charlton, “Precision measurement: Exciting antiprotons,” Nature 475: 459–460, 28 July 2011, que se eco del artículo técnico de Masaki Hori et al., “Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio,” Nature 475: 484–488, 28 July 2011.

La fuente de los antiprotones utilizada es el Desacelerador Antiprotónico (Antiproton Decelerator) localizado en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra que aloja al LHC. Esta instalación produce haces de antiprotones periódicos cada pocos minutos que son desacelerados en helio líquido. Tras la llegada de los antiprotones, una serie de pulsos láser inciden sobre estos átomos y llevan a los antiprotones del estado metaestable a un estado inestable, aniquilándose con los protones del núcleo de helio, lo que genera un chorro de piones que puede ser analizado con precisión. Los niveles atómicos del helio antiprotónico han sido medidos mediante técnicas de espectroscopia atómica, gracias a la medida de las frecuencias de sus líneas espectrales. La fuente de error más importante es el ensanchamiento de dichas líneas por Doppler debido a que los átomos están en movimiento. Una manera de reducir este efecto es utilizar dos fotones emitidos por láseres en direcciones opuestas en lugar de uno solo para realizar la medida espectroscópica. Si un átomo absorbe de forma simultánea ambos fotones, se logra minimizar el ensanchamiento Doppler. El problema es que usar está técnica con antiprotones en lugar de electrones requiere fotones generados por láseres con una potencia enorme. Para evitarlo, Mori y sus colegas han usado pares de fotones con una frecuencia diferente, uno de los cuales está sintonizado a la frecuencia de la línea espectral que se quiere medir. Gracias a esta ingeniosa técnica, Mori y sus colegas han reducido la anchura de las líneas espectrales del helio antiprotónico en un orden de magnitud. La figura de abajo muestra la diferencia entre usar un solo fotón (izquierda) y usar dos fotones (derecha).

Como decíamos en “El más allá del modelo estándar de las partículas elementales sin la supersimetría,” las medidas de precisión de los parámetros del modelo estándar pueden ofrecer gran número de sorpresas sobre la física de muy alta energía. Este nuevo resultado confirma la simetría materia-antimateria para el antiprotón hasta una precisión mucho mayor de la que nunca podrá ofrecer el LHC del CERN. El futuro del modelo estándar también está en las medidas de precisión de sus parámetros y consecuencias utilizando experimentos de baja energía. Cualquier desviación respecto a la teoría tendrá consecuencias dramáticas. Por ahora el modelo estándar sigue tan sólido como siempre. Pero quien sabe lo que deparará el futuro.

PS: Noticia en CERN News con subtítulos en inglés y francés.

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