Al enfriar la antimateria al cero absoluto, los físicos finalmente podrán responder preguntas que podrían cambiar fundamentalmente nuestra comprensión del universo.

Impresión de un artista del movimiento de un átomo de antihidrógeno en la trampa magnética ALPHA. Imagen: Chukman So / TRIUMF

La antimateria es quizás uno de los descubrimientos más emocionantes de la física del siglo XX, aunque eso depende, por supuesto, de a quién le preguntes. Definida como materia formada por antipartículas, es lo opuesto y complementario a la materia «ordinaria», como cuando un gemelo idéntico del mundo extraño hace todo lo que tú haces, pero lo contrario. ¿Corte de pelo? Bizzaro Twin lo cultiva. ¿Confiado en sus decisiones? El gemelo Bizarro lamenta el suyo.

Cada partícula que conocemos tiene un gemelo “bizzaro”, o para decirlo científicamente, un socio de antimateria que es prácticamente idéntico pero tiene propiedades opuestas. Por ejemplo, un electrón tiene carga negativa y su antipartícula, llamada positrón, es idéntica excepto por su carga positiva.

Además de su novedad de ciencia ficción, la antimateria es importante para comprender cómo funciona el universo, pero sigue siendo uno de los mayores misterios de la física. Si bien la física predice que la materia y la antimateria deberían comportarse de manera opuesta y fueron creadas en cantidades iguales durante el Big Bang, el universo parece estar compuesto casi en su totalidad por materia. Hay muy poca antimateria y nadie puede decir por qué. Esto se suma al hecho de que una partícula y su antipartícula, cuando se encuentran, se aniquilan entre sí en un destello de luz y energía. Como resultado, los átomos de antimateria en nuestro mundo son extraordinariamente difíciles de generar y controlar, lo que es difícil de responder a preguntas básicas como «¿Se aplican las mismas leyes de la naturaleza a la materia y la antimateria?».

Pero al final del túnel parece haber (un pinchazo) luz, ya que los científicos del CERN anunciaron esta semana que pudieron enfriar una muestra de anti-hidrógeno a casi cero en una primicia mundial (-273,15 grados Celsius (-459,67 Fahrenheit). ) – la temperatura a la que un sistema alcanza su menor energía o movimiento térmico posible.

Los resultados marcan un punto de inflexión en el programa de investigación antimateria de una década de ALPHA, que comenzó en 2011 con la creación y captura de antihidrógeno por un récord mundial de mil segundos.

«Fue un sueño loco manipular la antimateria con láser», dijo Makoto Fujiwara, portavoz de ALPHA-Canadá, científico de TRIUMF y proponente original de la idea del enfriamiento por láser. “Estoy encantado de que nuestro sueño finalmente se haya hecho realidad […] . «

Los átomos pueden enfriarse al ser golpeados con ciertas longitudes de onda de luz, la energía de la cual absorben y vuelven a emitir espontáneamente. Dado que los fotones transportan tanto energía como impulso, cuando chocan con otra partícula, transfieren su impulso y ralentizan la partícula. Esto se complica con partículas gaseosas como una serie de átomos de hidrógeno o antihidrógeno que están en constante movimiento a medida que los átomos que se mueven hacia el láser emisor de luz absorben longitudes de onda de luz diferentes a las que se alejan, ¡gracias al efecto Doppler! Para enfriar toda la «nube», el láser necesita ser pulsado a ciertas frecuencias o longitudes de onda, comenzando alto y luego moviéndose gradualmente hacia abajo, enfriando eventualmente todos los átomos (¡o anti-átomos!).

¿Por qué es eso importante ?, podría preguntarse. «El átomo de antihidrógeno, el ejemplo más simple de antimateria atómica, ofrece oportunidades únicas para desafiar el marco básico de la física contemporánea», escribieron los autores en su estudio.

A temperaturas tan frías, los átomos y antiatómicos se mueven muy, muy lentamente, lo que facilita mucho la medición. En el cero absoluto, el equipo del CERN puede ejecutar varias pruebas para estudiar las propiedades y propiedades de la antimateria y luego compararlas con el «átomo de hidrógeno bien estudiado» con el que pueden probar las simetrías fundamentales de nuestro universo predichas por la simetría CPT, en forma simple términos (lo he intentado) predice una imagen especular de nuestro universo en la que la materia es reemplazada por antimateria y las mismas leyes de la física se desarrollan a medida que retrocedemos en el tiempo. En esencia, somos iguales y nos oponemos a este mundo espejo, tanto temporal como espacialmente. Pero hay lagunas en esta teoría, y eso es exactamente lo que el equipo del CERN está tratando de demostrar.

«Estas respuestas pueden cambiar fundamentalmente nuestra comprensión de nuestro universo», dijo Takamasa Momose, investigador de la Universidad de Columbia Británica (UBC) con el equipo canadiense ALPHA que dirigió el desarrollo del láser.

Un experimento que llevará a cabo el equipo es investigar si la gravedad afecta a la antimateria de la misma manera que a la materia. ¿La antimateria cae a la misma velocidad que la materia ordinaria o se comporta de manera diferente? Esto ha sido difícil de determinar porque puede ser difícil medir los efectos de la gravedad sobre las partículas gaseosas. Sin embargo, a temperaturas extremadamente frías como el cero absoluto, estas partículas se comportan más como un líquido que como un gas.

Si la simetría es cierta, los átomos de antihidrógeno deberían caer, pero la mayoría de los físicos creen que eso no sucederá. Creen que el antihidrógeno caerá. Sin embargo, la evidencia de que estas simetrías están rotas conducirá a una revisión fundamental muy emocionante de nuestras concepciones de la física, que afecta no solo a la física de partículas, sino también a nuestra comprensión de la gravedad y la relatividad (y tal vez incluso a Bizarro World).

El equipo del CERN espera que los experimentos comiencen en agosto de este año. Esperaré en el borde de mi asiento. ¿Quién sabe qué se descubrirá?

Referencia: CJ Baker et al., Laser Cooling of Anti-Hydrogen Atoms, Nature (2021). DOI: 10.1038 / s41586-021-03289-6

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