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21 de Febrero de 2020
Física de partículas

En busca de una explicación para la escasez de antimateria

El experimento ALPHA del CERN halla que el desplazamiento Lamb del antihidrógeno es idéntico al del hidrógeno. Este tipo de estudios podrían revelar la causa de la asimetría entre materia y antimateria.

Inserción de la trampa de Penning dentro del conjunto del criostato y la cámara de vacío del experimento ALPHA. Esta es la parte del instrumento donde los positrones y antiprotones se combinan para formar antihidrógeno. [Niels Madsen, ALPHA/Swansea]

Uno de los misterios más antiguos del universo es también uno de los más desconcertantes. Durante la gran explosión, hace unos 13.800 millones de años, deberían haberse creado cantidades iguales de materia y antimateria (formada por partículas idénticas a las de la materia, pero con carga eléctrica opuesta). En el universo actual, cuando estas dos componentes entran en contacto entre sí, se aniquilan en un estallido de luz y partículas fundamentales exóticas. Entonces, ¿por qué vivimos en un cosmos dominado por la materia en vez de en un inmenso vacío, donde solo persistirían los efímeros ecos de una aniquilación que lo habría consumido todo desde el amanecer de los tiempos?

Para averiguarlo, los físicos de partículas tratan de estudiar y comparar las propiedades de la materia y la antimateria. En el caso de la materia, el proceso es relativamente sencillo, pero con la antimateria resulta mucho más complicado: dado que la antimateria se destruye inmediatamente al interaccionar con la materia, no es fácil mantenerla intacta para realizar estudios detallados. Sin embargo, en el último decenio, los físicos experimentales han logrado aislar en el vacío cantidades cada vez mayores de antimateria durante períodos cada vez más largos, lo que ha permitido realizar grandes progresos en ese tipo de investigaciones.

Los últimos resultados proceden del experimento ALPHA del CERN. En un artículo publicado recientemente en la revista Nature, los científicos de dicha colaboración afirman haber suspendido átomos de antihidrógeno (el equivalente de antimateria del hidrógeno) en el vacío durante cientos de horas. Eso les permitió determinar que las transiciones del antihidrógeno formado por un antiprotón y un positrón, las antipartículas del protón y el electrón entre los niveles de energía implicados en el denominado efecto Lamb eran idénticas a las observadas en el hidrógeno. Este resultado descarta una de las posibles explicaciones para la asimetría entre la materia y la antimateria.

Vista general del experimento ALPHA en el CERN. [Maximilien Brice/CERN]

«Ya habíamos realizado otras mediciones antes, pero esta conlleva una diferencia fundamental: estamos estudiando el espectro del antihidrógeno», explica Jeffrey Hangst, investigador de la Universidad de Aarhus, en Dinamarca, y coautor del trabajo. «No hemos obtenido ningún resultado inesperado, pero el hecho de que podamos llevar a cabo estos estudios en la antimateria es realmente importante para nosotros y para el futuro de lo que hacemos. En nuestra búsqueda de un acuerdo completo entre la física de la materia y la antimateria, tenemos que hacer todas las comprobaciones posibles, y esta es muy importante.»

El efecto Lamb (o desplazamiento Lamb) fue descubierto en 1947 por el físico estadounidense Willis E. Lamb, quien posteriormente recibiría el premio Nobel de física por su medición. Los electrones giran alrededor del núcleo atómico, pero pueden experimentar saltos cuánticos entre las órbitas (correspondientes a distintos niveles de energía), los cuales dan lugar a la emisión o absorción de luz. Lamb demostró que dos niveles de energía del hidrógeno, el 2s y el 2p, mostraban un cambio o desplazamiento energético detectable que desafiaba las predicciones teóricas.

El descubrimiento del efecto Lamb, atribuido a la existencia de partículas virtuales que se emiten y se reabsorben en el vacío, contribuyó a innumerables avances en la teoría cuántica. «El resultado obtenido por la colaboración ALPHA es que los desplazamientos Lamb del hidrógeno y del antihidrógeno parecen idénticos», aclara Stefan Ulmer, científico del CERN que no participó en esta investigación.

La simetría entre el comportamiento de la materia y la antimateria depende de la llamada simetría de carga, paridad y tiempo (CPT), que establece que todas las leyes de la física permanecen invariables al cambiar cada partícula por la imagen especular de su antipartícula e invertir el sentido del tiempo. Para explicar la escasez de antimateria, debe haber algo incorrecto en esta idea de la simetría CPT y, por lo tanto, en el modelo estándar de la física, el marco teórico que engloba todas las partículas subatómicas conocidas y las fuerzas fundamentales, excepto la gravedad. Los físicos esperan que estudiar el desplazamiento Lamb en la materia y la antimateria les ayude a acotar qué podría ser ese «algo».

Este tipo de experimentos «limitan los posibles efectos de cualquier nueva física o la violación de la simetría CPT», apunta Randolf Pohl, investigador de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, en Alemania, que tampoco participó en el estudio, aunque ha escrito una reseña del mismo para Nature. «Cualquier diferencia [entre la materia y la antimateria] representaría una clara violación del modelo estándar», añade. «Así que si encontráramos una diferencia entre el hidrógeno y el antihidrógeno, el modelo estándar estaría sentenciado: nuestra comprensión de la física sería incompleta y deberíamos encontrar una nueva teoría. Eso aún no ha sucedido, pero comparar la materia y la antimateria es una forma muy directa de poner a prueba los cimientos del modelo estándar.»

Thomas Udem, del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching, Alemania, afirma que los últimos hallazgos de la colaboración ALPHA son «emocionantes» y observa que los primeros experimentos de menor energía producían antipartículas que aceleraban hasta casi la velocidad de la luz, lo que resultaba problemático a la hora de intentar formar (anti)átomos con ellas. «No podíamos hacer nada con las antipartículas, excepto detectar su presencia», rememora. Por el contrario, las energías más elevadas empleadas en el experimento ALPHA ralentizan los antiprotones y positrones lo suficiente como para formar antihidrógeno y realizar estudios detallados.

Aunque no se ha observado ninguna violación de las leyes conocidas de la física, los resultados del experimento ALPHA abren un nuevo capítulo en los estudios de la asimetría materia-antimateria y nos acercan a la respuesta a una de las preguntas más desconcertantes del universo. «A veces tengo que pellizcarme, porque cuando empecé en esto, ni siquiera teníamos antihidrógeno. Y mucha gente decía que nunca conseguiríamos producirlo», concluye Hangst. «Ahora podemos almacenar hasta miles de átomos. Es realmente revolucionario que seamos capaces de hacerlo.» 

Jonathan O'Callaghan

Referencia: «Investigation of the fine structure of antihydrogen», colaboración ALPHA en Nature, vol. 578, págs. 375-380, 19 de febrero de 2020. 

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