Experimento BASE en el desacelerador antiprotón del CERN en Ginebra:En la imagen se ven los equipos de control, el imán superconductor que alberga la trampa de Penning, y el tubo del haz de transferencia de antiprotón. Crédito:Stefan Sellner, Laboratorio de Simetrías Fundamentales, RIKEN, Japón
La búsqueda continúa. Aún no se han encontrado diferencias en protones y antiprotones que ayudarían a explicar potencialmente la existencia de materia en nuestro universo. Sin embargo, Los físicos de la colaboración BASE en el centro de investigación CERN han podido medir la fuerza magnética de los antiprotones con una precisión casi increíble. Sin embargo, los datos no proporcionan ninguna información sobre cómo se formó la materia en el universo temprano, ya que las partículas y antipartículas habrían tenido que destruirse completamente entre sí. Las mediciones BASE más recientes revelaron en cambio una gran superposición entre protones y antiprotones, confirmando así el Modelo Estándar de física de partículas. Alrededor del mundo, Los científicos están usando una variedad de métodos para encontrar alguna diferencia, independientemente de lo pequeño que sea. El desequilibrio materia-antimateria en el universo es uno de los temas candentes de la física moderna.
La colaboración multinacional BASE en el centro de investigación europeo CERN reúne a científicos del centro de investigación RIKEN en Japón, el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg, Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), la Universidad de Tokio, GSI Darmstadt, Leibniz Universität Hannover, y el Instituto Nacional de Metrología de Alemania (PTB) en Braunschweig. Comparan las propiedades magnéticas de protones y antiprotones con gran precisión. El momento magnético es un componente esencial de las partículas y se puede representar aproximadamente como equivalente al de una barra magnética en miniatura. El llamado factor g mide la fuerza del campo magnético. "En su centro, la pregunta es si el antiprotón tiene el mismo magnetismo que un protón, "explicó Stefan Ulmer, portavoz del grupo BASE. "Este es el acertijo que tenemos que resolver".
La colaboración BASE publicó mediciones de alta precisión del factor g del antiprotón en enero de 2017, pero las actuales son mucho más precisas. La medición actual de alta precisión determinó el factor g hasta nueve dígitos significativos. Este es el equivalente a medir la circunferencia de la tierra con una precisión de cuatro centímetros. El valor de 2,7928473441 (42) es 350 veces más preciso que los resultados publicados en enero. "Este enorme aumento en tan poco tiempo solo fue posible gracias a métodos completamente nuevos, ", dijo Ulmer. El proceso involucró a científicos que usaban dos antiprotones por primera vez y los analizaban con dos trampas de Penning.
BASE Sistema de trampa Penning para medir el movimiento magnético del antiprotón. Crédito:Stefan Sellner, Laboratorio de Simetrías Fundamentales, RIKEN, Japón
Antiprotones almacenados un año antes del análisis
Los antiprotones se generan artificialmente en el CERN y los investigadores los almacenan en una trampa de depósito para experimentos. Los antiprotones para el experimento actual se aislaron en 2015 y se midieron entre agosto y diciembre de 2016, lo cual es una pequeña sensación, ya que este fue el período de almacenamiento más largo de antimateria jamás documentado. Los antiprotones suelen aniquilarse rápidamente cuando entran en contacto con la materia, como en el aire. Se demostró el almacenamiento durante 405 días en vacío, que contiene diez veces menos partículas que el espacio interestelar. Se utilizaron un total de 16 antiprotones y algunos de ellos se enfriaron a aproximadamente cero absoluto o menos 273 grados Celsius.
El nuevo principio utiliza la interacción de dos trampas de Penning. Las trampas utilizan campos eléctricos y magnéticos para capturar los antiprotones. Las mediciones anteriores estaban severamente limitadas por una falta de homogeneidad magnética ultra fuerte en la trampa de Penning. Para superar esta barrera, los científicos agregaron una segunda trampa con un campo magnético altamente homogéneo. "Por lo tanto, utilizamos un método desarrollado en la Universidad de Mainz que creó una mayor precisión en las mediciones, "explicó Ulmer." La medición de antiprotones fue extremadamente difícil y habíamos estado trabajando en ello durante diez años. El avance final vino con la idea revolucionaria de realizar la medición con dos partículas. "Se midieron la frecuencia de larmor y la frecuencia de ciclotrón; tomadas juntas forman el factor g.
El factor g determinado para el antiprotón se comparó luego con el factor g del protón, que los investigadores de BASE habían medido con la mayor precisión previa ya en 2014. Al final, sin embargo, no pudieron encontrar ninguna diferencia entre los dos. Esta consistencia es una confirmación de la simetría CPT, que establece que el universo está compuesto por una simetría fundamental entre partículas y antipartículas. "Todas nuestras observaciones encuentran una simetría completa entre la materia y la antimateria, por eso el universo no debería existir realmente, "explicó Christian Smorra, primer autor del estudio. "Debe existir una asimetría aquí en alguna parte, pero simplemente no entendemos dónde está la diferencia. ¿Cuál es la fuente de la ruptura de la simetría?"
Los científicos de BASE ahora quieren usar mediciones de precisión aún mayor de las propiedades de los protones y antiprotones para encontrar una respuesta a esta pregunta. La colaboración de BASE planea desarrollar más métodos innovadores durante los próximos años y mejorar los resultados actuales.
