En un artículo publicado hoy en la revista Ciencias , el experimento de ASACUSA en el CERN informó una nueva medición de precisión de la masa del antiprotón en relación con la del electrón. Este resultado se basa en mediciones espectroscópicas con aproximadamente 2 mil millones de átomos de helio antiprotónico enfriados a temperaturas extremadamente frías de 1,5 a 1,7 grados por encima del cero absoluto. En los átomos de helio antiprotónicos, un antiprotón ocupa el lugar de uno de los electrones que normalmente orbitarían el núcleo. Tales mediciones proporcionan una herramienta única para comparar con alta precisión la masa de una partícula de antimateria con su contraparte de materia. Los dos deben ser estrictamente idénticos.

"Una gran cantidad de átomos que contienen antiprotones se enfriaron por debajo de menos 271 grados Celsius. Es un poco sorprendente que un átomo de 'mitad antimateria' pueda enfriarse tanto simplemente colocándolo en un gas refrigerado de helio normal, "dijo Masaki Hori, líder de grupo en la colaboración ASACUSA.

Las partículas de materia y antimateria siempre se producen como un par en las colisiones de partículas. Las partículas y antipartículas tienen la misma masa y carga eléctrica opuesta. El positrón cargado positivamente, por ejemplo, es un anti-electrón, la antipartícula del electrón cargado negativamente. Los positrones se han observado desde la década de 1930, tanto en colisiones naturales de rayos cósmicos como en aceleradores de partículas. Se utilizan hoy en día en el hospital en escáneres PET. Sin embargo, estudiar partículas de antimateria con alta precisión sigue siendo un desafío porque cuando la materia y la antimateria entran en contacto, se aniquilan, desapareciendo en un destello de energía.

Antiproton Decelerator del CERN es una instalación única que entrega haces de antiprotones de baja energía a experimentos para estudios de antimateria. Para realizar mediciones con estos antiprotones, varios experimentos los atrapan durante largos períodos utilizando dispositivos magnéticos. El enfoque de ASACUSA es diferente, ya que el experimento puede crear átomos híbridos muy especiales hechos de una mezcla de materia y antimateria:estos son los átomos de helio antiprotónicos compuestos por un antiprotón y un electrón que orbitan un núcleo de helio. Se fabrican mezclando antiprotones con gas helio. En esta mezcla, aproximadamente el 3% de los antiprotones reemplazan uno de los dos electrones del átomo de helio. En helio antiprotónico, el antiprotón está en órbita alrededor del núcleo de helio, y protegido por la nube de electrones que rodea todo el átomo, haciendo que el helio antiprotónico sea lo suficientemente estable para mediciones de precisión.

La medición de la masa del antiprotón se realiza mediante espectroscopia, al hacer brillar un rayo láser sobre el helio antiprotónico. Sintonizar el láser a la frecuencia correcta hace que los antiprotones hagan un salto cuántico dentro de los átomos. A partir de esta frecuencia se puede calcular la masa del antiprotón en relación con la masa del electrón. Este método ha sido utilizado con éxito antes por la colaboración de ASACUSA para medir con alta precisión la masa del antiprotón. Sin embargo, el movimiento microscópico de los átomos de helio antiprotónico introdujo una fuente significativa de incertidumbre en mediciones anteriores.

El gran nuevo logro de la colaboración, como se informa en Ciencias , Es que ASACUSA ahora ha logrado enfriar los átomos de helio antiprotónico a temperaturas cercanas al cero absoluto suspendiéndolos en un gas tampón de helio muy frío. De este modo, el movimiento microscópico de los átomos se reduce, mejorando la precisión de la medición de frecuencia. La medición de la frecuencia de transición se ha mejorado en un factor de 1,4 a 10 en comparación con experimentos anteriores. Los experimentos se realizaron de 2010 a 2014, con alrededor de 2 mil millones de átomos, correspondiente a aproximadamente 17 femtogramos de helio antiprotónico.

Según las teorías estándar, Se espera que los protones y los antiprotones tengan exactamente la misma masa. Hasta la fecha, no se ha encontrado ninguna diferencia entre sus masas, pero empujar los límites de precisión de esta comparación es una prueba muy importante de principios teóricos clave como la simetría CPT. CPT es una consecuencia de las simetrías básicas del espacio-tiempo, como su isotropía en todas las direcciones. La observación de incluso una ruptura mínima de CPT requeriría una revisión de nuestras suposiciones sobre la naturaleza y propiedades del espacio-tiempo.

La colaboración de ASACUSA confía en que podrá mejorar aún más la precisión de la masa del antiprotón mediante el uso de dos rayos láser. En el futuro cercano, La puesta en marcha de las instalaciones de ELENA en el CERN también permitirá mejorar la precisión de dichas mediciones.