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.

Nuevo récord, atrapan en el CERN un átomo de antihidrógeno durante 1000 segundos

En la novela “Ángeles y Demonios” de Dan Brown, y en la película homónina, se fabrican varios miligramos de antimateria en el LHC del CERN y se transportan al Vaticano. Fabricar antimateria es muy difícil pero almacenarla durante mucho tiempo lo es mucho más. Los átomos de antihidrógeno son muy frágiles y su vida media supera con dificultad unos pocos segundos. Investigadores del experimento ALPHA en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas donde reside el LHC, han publicado en Nature Physics el almacenamiento durante 1000 segundos (16 minutos y 40 segundos) de un átomo de antihidrógeno (antiátomo formado por un antiprotón y un positrón). Esta vida media ya es suficiente para permitir el estudio con gran precisión de los niveles atómicos del antihidrógeno mediante técnicas de espectroscopia láser. Además, la combinación de la nueva trampa superconductora de ALPHA con el experimento ATRAP, también en el CERN, se espera que permita en los próximos meses almacenar unos 100 antiátomos para su estudio detallado. Nos lo han contado John Matson, “Antimatter trapped for more than 15 minutes. Physicists have forced flighty atoms of antihydrogen to stick around, affording a better look at how antimatter behaves,” News, Nature, 6 June 2011; Clifford M. Surko, “Anti-atoms: Gotcha!,” Nature Physics, Published online on 5 June 2011; siendo el artículo técnico The ALPHA Collaboration, “Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds,” Nature Physics, Published online on 5 June 2011. Más información en este blog sobre trampas de antimateria en “Dan Brown, “Ángeles y Demonios,” y las trampas de antimateria en el CERN,” 3 diciembre 2010.

Publicado en Science: Observada la antihipermateria, un nuevo tipo de antimateria, en el experimento STAR del RHIC

(Izq.) Señal típica de un antihipertritón en el detector STAR (Der. abaj.) del RHIC (Der. arrib.).

El experimento STAR en el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del BNL (Brookhaven National Laboratory), New York, ha descubierto la forma más extraña de antimateria, el “antihipertritón,” el núcleo del antihipertritio, antihidrógeno pesado con tres nucleones que contiene además de un antiprotón  y un antineutrón, un “primo” más pesado del antineutrón, un hiperón antilambda. Esta última partícula permite afirmar que se ha descubierto por primera vez la antihipermateria (donde hiper es el prefijo asociado a la materia caracterizada por la presencia de hiperiones). La hipermateria “ordinaria” está formada por núcleos de elementos atómicos en los que se reemplazan uno o varios neutrones con partículas lambdas u otros hiperones (partículas extrañas por lo que también se le llama materia extraña) y ya fue observada por primera vez en 1952 (al poco de descubrirse la partícula lambda en 1947). El experimento STAR del RHIC es el único en el mundo capaz de observar la antihipermateria (han observado unos 70±17 antihipertritones y 157±30 hipertritones), una forma de antimateria que podría haber existido en los primeros momentos de la Gran Explosión y el estudio de la violación de la simetría CP en este tipo de antimateria permitirá entender mejor la asimetría entre materia y antimateria. Algunas teorías asumen que la hipermateria podría formar parte de los núcleos de las estrellas de neutrones. El artículo técnico es STAR Collaboration, “Observation of an Antimatter Hypernucleus,” Science Express, Published online March 4, 2010. Se han hecho eco de la noticia muchos foros, entre ellos el propio servicio de noticias del BNL, “Exotic Antimatter Detected at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Scientists report discovery of heaviest known antinucleus and first antinucleus containing an anti-strange quark, laying the first stake in a new frontier of physics,” Brookhaven Today, March 4, 2010.

La distribución de hipernúclidos y antihipernúclidos descubiertos hasta el momento aparece en la figura de arriba. La figura de abajo muestra el histograma de eventos que han sido identificados como resultado de la producción de los primeros antihipernúclidos, incluyendo su masa y vida media determinadas experimentalmente.

PS (06 mar 2010): “Descubren una extraña partícula de antimateria de tiempos del Big Bang,” ABC.es, 05 mar 2010 [Noticias, Axxón, 06 mar 2010]; “From two-trillion-degree heat, researchers create new matter — and new questions,” PhysOrg.com, March 4, 2010.

PS (07 mar 2010): Geoff Brumfiel, “Heavy antimatter created in gold collisions. Most massive antimatter nucleus yet identified in particle experiments,” News, Nature, Published online 4 March 2010.

PS (13 mar 2010): El artículo técnico publicado en Science ya está disponible gratis: The STAR Collaboration: B.I. Abelev, et al., “Observation of an Antimatter Hypernucleus,” ArXiv, 10 Mar 2010.

PS (02 abr 2010): Hoy se publica en papel en Science el artículo técnico, junto con un comentario de  Thomas D. Cohen, “Physics: Fishing Antihypernuclei Out of a Quark-Gluon Soup,” Perspectives, Science 328: 55-56, 2 April 2010.

La figura de la derecha muestra los núcleos de tritio (arriba izquierda) y antitritio (arriba derecha) y los núcleos de hipertritio (abajo izquierda) y el nuevo núcleo producido experimentalmente de antihipertritio (abajo derecha). Producir este núcleo con 9 quarks y 3 bariones en un plasma de quark y gluones es un gran logro científico para el STAR del RHIC. Ahora les queda caracterizar con precisión sus propiedades y chequear con son las predichas por el modelo estándar y la cromodinámica cuántica (numérica) en redes.

El mecanismo de Higgs no distingue entre materia y antimateria según el Tevatrón del Fermilab

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El bosón de Higgs dota de la misma masa a una partícula y su antipartícula, según la teoría del Modelo Estándar. El mecanismo de ruptura de la simetría de Higgs no distingue entre materia y antimateria. Para verificarlo experimentalmente hay que medir estas masas para la partícula más masiva descubierta hasta el momento, el quark top y su antiquark. En el Tevatrón del Fermilab se ha obtenido hace poco la mejor medida de la masa en reposo del quark top. Ahora DZERO ha medido la diferencia de masa entre el quark top y el antiquark top resultando una diferencia igual a 3.8±3.7 GeV, es decir, 2.2% ± 2.2. Como resultado, experimentalmente ambas masas parecen exactamente iguales. Nos lo cuentan en Research Highlights, “Particle physics: Top quarks measure up,” Nature 461: 572, 1 October 2009, haciéndose eco del artículo técnico de V. M. Abazov et al. (DZERO Collaboration), “Direct Measurement of the Mass Difference between Top and Antitop Quarks,” Phys. Rev. Lett. 103: 132001, 21 September 2009.

El genio más extraño entre todos: Dirac, según Bohr

Dibujo20090521_Cover_Book_The_Strangest_Man_Paul_Dirac_BiographyAsí describía el físico danés Niels Bohr al físico británico Paul A. M. Dirac (“the strangest man”) y así se titula su biografía escrita por Graham Farmelo, “The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Quantum Genius,” Faber and Faber, January 22, 2009 . Callado, monosilábico, en sólo 6 años se convirtió en una leyenda de la talla de Albert Einstein. Ahora que la antimateria “está de moda” con la película “Ángeles y Demonios” no es mal momento para recordar a Dirac. Frank Close, revisa este libro en “Paul Dirac: a physicist of few words,” Nature 459: 326-327, 21 May 2009 .

Para los pocos que no lo sepan, Dirac descubrió (teóricamente) la antimateria en 1928 al obtener una ecuación invariante relativista para la dinámica del electrón. Hasta el descubrimiento experimental 4 años más tarde del antielectrón (positón) por Carl Anderson en los rayos cósmicos la idea de la antimateria era extremadamente esotérica, incluso para el propio Dirac. 

La ecuación predice el espín del electrón, su momento magnético y la estructura fina observada en las líneas espectrales de los átomos. Sólo tiene un defecto. También predice electrones de energía negativa que parecían “electrones” de carga positiva y energía positiva. Algo difícil de “tragar” para cualquier físico en aquella época, cuando sólo se conocían el electrón y el protón como partículas elementales. ¿Serían los electrones “positivos” iguales a los protones? J. Robert Oppenheimer mostró que en dicho caso la materia sería inestable y no existiríamos. Dirac buscó una solución que hoy casi nos da risa. Un “mar” de infnitos electrones de energía negativa completamente lleno en el que la teoría modelaba la presencia de “huecos” (que aparecerían como partículas de carga positiva y energía positiva). [Nota: repito “positiva” dos veces como licencia poética].

En 1931, Dirac introdujo el término “antielectrón” (precursor del término antimateria) y afirmó que estas partículas no podían existir (serían inestables y se destruirán al mero contacto con un electrón). Robert Millikan impartió una conferencia en la Universidad de Cambridge, Gran Bretaña, donde Dirac trabajaba, mostrando imágenes de rayos cósmicos obtenidas por Anderson que se comportaban como electrones de carga positiva (se doblaban en el sentido contrario al esperado para un electrón en un campo magnético). Nadie pensó que tendrían nada que ver con la teoría de Dirac (sus extraños “huecos” en el “mar” de electrones de energía negativa).

El 2 de agosto de 1932, Anderson quedó finalmente convencido de que los rayos cósmicos tipo “electrón” que se doblaban en el sentido contrario al esperado eran los antielectrones de Dirac. “Descubrió el positón.” El artículo se publicó en septiembre en la revista Science. Sin haber leído el artículo en Science, el británico Patrick Blackett obtuvo también imágenes de positones un mes más tarde y contó su descubrimiento en una conferencia ante Dirac. En la audiencia estaba el soviético Kapitsa que exclamó “Dirac, ¡son tus electrones positivos!” Dirac contestó simplemente “los electrones positivos son un producto de la teoría desde hace mucho tiempo.”

Cuando Dirac era preguntado por el porqué no predijo el positón siempre contestaba: “por pura cobardía.”

Dirac recibió el Premio Nobel de Física en 1933 (junto a Schrödinger descubridor de la ecuación no relativista del electrón que lleva su nombre). Anderson lo recibió en 1936 junto a Hess (descubridor de los rayos cósmicos). Cambridge en los 1920 era el paraíso de los investigadores excéntricos y Dirac su icono.