En un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza , la colaboración ALPHA informa sobre la primera medición del espectro óptico de un átomo de antimateria. Este logro presenta desarrollos tecnológicos que abren una era completamente nueva en la investigación de antimateria de alta precisión. Es el resultado de más de 20 años de trabajo de la comunidad antimateria del CERN.

"Usar un láser para observar una transición en el antihidrógeno y compararlo con el hidrógeno para ver si obedecen las mismas leyes de la física siempre ha sido un objetivo clave de la investigación de la antimateria, "dijo Jeffrey Hangst, Portavoz de la colaboración ALPHA.

Los átomos consisten en electrones que orbitan alrededor de un núcleo. Cuando los electrones se mueven de una órbita a otra, absorben o emiten luz en longitudes de onda específicas, formando el espectro del átomo. Cada elemento tiene un espectro único. Como resultado, La espectroscopia es una herramienta de uso común en muchas áreas de la física, astronomía y química. Ayuda a caracterizar átomos y moléculas y sus estados internos. Por ejemplo, en astrofísica, analizar el espectro de luz de estrellas remotas permite a los científicos determinar su composición.

Con su único protón y un único electrón, el hidrógeno es el más abundante, átomo simple y bien entendido en el Universo. Su espectro se ha medido con una precisión muy alta. Átomos de antihidrógeno, por otro lado, se entienden mal. Debido a que el universo parece consistir enteramente en materia, los constituyentes de los átomos de antihidrógeno (antiprotones y positrones) deben producirse y ensamblarse en átomos antes de poder medir el espectro de antihidrógeno. Es un proceso laborioso, pero bien vale la pena el esfuerzo, ya que cualquier diferencia medible entre los espectros del hidrógeno y el antihidrógeno rompería los principios básicos de la física y posiblemente ayudaría a comprender el enigma del desequilibrio materia-antimateria en el universo.

El resultado ALPHA de hoy es la primera observación de una línea espectral en un átomo de antihidrógeno, permitiendo comparar el espectro de luz de la materia y la antimateria por primera vez. Dentro de los límites experimentales, el resultado no muestra ninguna diferencia en comparación con la línea espectral equivalente en hidrógeno. Esto es consistente con el modelo estándar de física de partículas, la teoría que mejor describe las partículas y las fuerzas que actúan entre ellas, que predice que el hidrógeno y el antihidrógeno deberían tener características espectroscópicas idénticas.

La colaboración ALPHA espera mejorar la precisión de sus mediciones en el futuro. La medición del espectro de antihidrógeno con alta precisión ofrece una nueva herramienta extraordinaria para probar si la materia se comporta de manera diferente a la antimateria y así probar aún más la robustez del Modelo Estándar.

ALPHA es un experimento único en la instalación Antiproton Decelerator del CERN, capaz de producir átomos de antihidrógeno y mantenerlos en una trampa magnética especialmente diseñada, manipulando antiatomos unos pocos a la vez. La captura de átomos de antihidrógeno permite estudiarlos utilizando láseres u otras fuentes de radiación.

"Mover y atrapar antiprotones o positrones es fácil porque son partículas cargadas, "dijo Hangst." Pero cuando combinas los dos obtienes antihidrógeno neutro, que es mucho más difícil de atrapar, así que hemos diseñado una trampa magnética muy especial que se basa en el hecho de que el antihidrógeno es un poco magnético ".

El antihidrógeno se produce mezclando plasmas de aproximadamente 90, 000 antiprotones del Antiproton Decelerator con positrones, resultando en la producción de alrededor de 25, 000 átomos de antihidrógeno por intento. Los átomos de antihidrógeno pueden quedar atrapados si se mueven lo suficientemente lento cuando se crean. Usando una nueva técnica en la que la colaboración apila anti-átomos resultantes de dos ciclos de mezcla sucesivos, es posible atrapar un promedio de 14 anti-átomos por ensayo, en comparación con solo 1.2 con los métodos anteriores. Al iluminar los átomos atrapados con un rayo láser a una frecuencia sintonizada con precisión, los científicos pueden observar la interacción del rayo con los estados internos del antihidrógeno. La medición se realizó observando la llamada transición 1S-2S. El estado 2S en el hidrógeno atómico es de larga duración, que conduce a un ancho de línea natural estrecho, por lo que es especialmente adecuado para mediciones de precisión.

El resultado actual, junto con los límites recientes en la relación de la masa antiprotón-electrón establecidos por la colaboración ASACUSA, y la relación carga-masa del antiprotón determinada por la colaboración BASE, demuestran que las pruebas de simetrías fundamentales con antimateria en el CERN están madurando rápidamente.