Oppenheimer, Dirac y la protohistoria del antiprotón

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Bevatrón, inaugurado en 1955, aceleraba protones a 6,5 GeV.

Robert Oppenheimer propuso en 1930 que el antielectrón predicho por la ecuación de Dirac en 1928 no era el protón, como sugirió el propio Paul Dirac en 1930, por su diferencia de masa y porque el átomo de hidrógeno sería inestable. Más aún, propuso que debía existir un antiprotón asociado al protón. Tras el descubrimiento del positrón (antielectrón), Dirac recibió el Premio Nobel en 1933 y en su Discurso Nobel acabó diciendo que debía existir un antiprotón asociado al protón. El antiprotón fue descubierto en los experimentos en 1955 por Emilio Segrè y Owen Chamberlain (ambos de la Universidad de California, Berkeley), que recibieron por ello el Premio Nobel en 1959. Permíteme recordar la protohistoria del antiprotón.

La ecuación relativista para el electrón propuesta por Paul Dirac en 1928 predecía la existencia de estados de energía negativa [1]. Cada estado del electrón de energía positiva +E estaría acompañado de un estado de energía negativa −E. Como un electrón en movimiento acelerado emite radiación y pierde energía, todo electrón con energía positiva acabaría alcanzando una energía negativa y el proceso continuaría ad infinitum. Este hecho no se observa en los experimentos.

Para resolver este problema, Dirac recurrió en 1929 al principio de exclusión de Pauli e introdujo el llamado “mar de Dirac” [2]. En el estado de “vacío” de su ecuación, todos los estados de energía negativa están ocupados, por lo que no se observan electrones de energía negativa en los experimentos. Pero pueden existir “huecos” en este “mar” de estados de energía negativa, que se observan como una partícula de energía positiva pero con carga positiva. La única partícula conocida entonces con carga positiva era el protón, por lo que Dirac tituló su artículo, que apareció en la revista el 1 de enero de 1930, como “Una teoría de electrones y protones” [2], aunque reconocía que no tenía una explicación física del porqué la masa de los protones y los electrones es diferente.

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Descubrimiento del antiprotón.

Robert J. Oppenheimer, tras leer el artículo de Dirac, escribió una crítica titulada “Sobre la teoría de electrones y protones” que apareció en Physical Review dos meses más tarde [3]. Por un lado, si todos los estados de energía negativa estaban ocupados, no le parecía razonable que existieran en el universo tantos protones como electrones. Además, la partícula de carga positiva predicha por Dirac se podría aniquilar con un electrón produciendo dos fotones, con lo que el átomo de hidrógeno sería inestable. Por todo ello Oppenheimer predijo que si el electrón tenía estados de energía negativa ocupados, entonces el protón también tendría que tenerlos. Aunque no utiliza de forma explícita la palabra “antiprotón” (dado que hasta entonces nadie había utilizado la palabra “antielectrón”), el párrafo final del artículo de Oppenheimer sugiere la existencia del antiprotón y en la mayoría de los libros de historia de la física de partículas aparece como el “padre” del antiprotón.

En la wikipedia pone que Dirac predijo (o intuyó) el antiprotón en su Discurso Nobel en 1933 [4]. Su párrafo final predice la existencia de la antimateria: “Si aceptamos la simetría completa entre los estados de carga eléctrica positiva y negativa como una de las leyes fundamentales de la Naturaleza, podría ocurrir que fuera un accidente que en la Tierra (y en el Sistema Solar) predominen los electrones y los protones. Puede que haya estrellas hechas de positrones y “protones negativos”. Puede incluso que la mitad de las estrellas sean así.” Los protones negativos de Dirac es lo que hoy en día llamamos antiprotones. Dirac sugiere que puede existir la antimateria, antiátomos formados por antiprotones y positrones.

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Emilio Segré, Owen Chamberlain y tres colegas.

El descubrimiento del antiprotón fue publicado el 1 de noviembre de de 1955 en Physical Review Letters [5]. Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand y Thomas Ypsilantis, miembros del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, observaron una nueva partícula subatómica, idéntica al protón, pero con carga eléctrica negativa en lugar de positiva. Utilizaron el recién inaugurado Bevatrón, entonces el acelerador de partículas más potente del mundo, capaz de acelerar protones hasta energías de unos 6,5 GeV. La observación de un antiprotón requería crear un par protón-antiprotón, es decir, una energía superior al doble de su masa, unos 2 GeV. En el Bevatrón se decidió hacer incidir un haz de protones de 6,5 GeV en un blanco de neutrones estacionario.

En 1954, Ernest O. Lawrence, inventor del ciclotrón en 1931, Premio Nobel de 1939, decidió construir el Bevatrón en su Laboratorio de la Universidad de California en Berkeley para buscar el antiprotón. Este laboratorio, tras su muerte en 1958, fue rebautizado Laboratorio Lawrence Berkeley. Dos equipos decidieron buscar el antiprotón de forma independiente. Un equipo dirigido por Edward Lofgren y el otro por Owen Chamberlain y Emilio Segrè. Este último descubrió el antiprotón en 1955 y sus líderes obtuvieron el Premio Nobel en 1959. Pero relatar los detalles será objeto de una futura entrada.

Coda final. Un día como hoy en 1984, 20 de octubre, falleció P.A.M. Dirac. Por ello esta entrada participa en la XLV edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión por Cuantos y cuerdas.

Referencias

[1] P. A. M. Dirac, “The Quantum Theory of the Electron,” Proc. R. Soc. Lond. A 117: 610-624, 01 Feb 1928 [pdf gratis]; P. A. M. Dirac, “The Quantum Theory of the Electron. Part II,” Proc. R. Soc. Lond. A 118: 351-361, 01 Mar 1928 [pdf gratis].

[2] P. A. M. Dirac, “A Theory of Electrons and Protons,” Proc. R. Soc. Lond. A 126: 360-365, 01 Jan 1930 [pdf gratis].

[3] J. R. Oppenheimer, “On the Theory of Electrons and Protons,” Physical Review 35: 562-563, 01 Mar 1930 [pdf gratis].

[4] P. A. M. Dirac, “Theory of electrons and positrons,” Nobel Lecture, 12 Dec 1933 [pdf gratis].

[5] Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, and Thomas Ypsilantis, “Observation of Antiprotons,” Phys. Rev. 100: 947–950, 01 Nov 1955 [pdf gratis].

Los antiprotones de ATRAP (CERN) y la simetría CPT

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La Trampa de Antihidrógeno (ATRAP) es un pequeño experimento en el CERN cuyo objetivo es comparar la antimateria con la materia, en concreto, átomos de antihidrógeno (formados por un antiprotón y un positrón, o antielectrón) con átomos de hidrógeno (formados por un protón y un electrón). Acaban de publicar la medida más precisa del momento magnético del antiprotón, 2,792847356(23) veces el magnetón nuclear, que coincide con el del protón en al mentos cinco partes por millón (0,0005%), una nueva medida (directa) de la invarianza CPT [wiki]. Bajo condiciones muy generales, toda teoría cuántica de campos cumple el teorema CPT (aunque puede violar por separado las simetrías C, P, T, CP, etc.). La simetría CPT se puede verificar en los experimentos comparando las propiedades de las partículas y de las antipartículas, por ejemplo, la masa y la carga del protón y del antiprotón tienen que ser idénticas (son parámetros asociados al campo (en su conjunto) y no a las “componentes” del campo). La medida más precisa de la invarianza CPT corresponde al cociente de la masa entre la carga para el protón (p) y el antiprotón (pbar); sea κ=m/q, se midió en 1999 que κ(p)/κ(pbar) = (1 ± 9) × 10−11. Ello no quita interés a la nueva medida, pues la simetría CPT ha de ser verificada en cada uno de los posibles parámetros alcanzables por los experimentos. El artículo técnico es ATRAP Collaboration, “One-Particle Measurement of the Antiproton Magnetic Moment,” Phys. Rev. Lett. 110: 130801 (2013) [arXiv:1301.6310]. Se han hecho eco en Eric R. Hudson, David Saltzberg, “Viewpoint: Antiprotons Reflect a Magnetic Symmetry,” Physics 6: 36 (2013); y en Lubos Motl, “Antiprotons obey CPT within 5 ppm,” TRF, Mar 29, 2013. Por cierto, el artículo de 1999 es G. Gabrielse, A. Khabbaz, D. S. Hall, “Precision Mass Spectroscopy of the Antiproton and Proton Using Simultaneously Trapped Particles,” Physical Review Letters 82: 3198-3201, 1999 [pdf gratis].

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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.