La colaboración ALPHA en el CERN ha informado de las primeras mediciones de ciertos efectos cuánticos en la estructura energética del antihidrógeno, la contraparte de antimateria del hidrógeno. Se sabe que estos efectos cuánticos existen en la materia, y estudiarlos podría revelar diferencias aún no observadas entre el comportamiento de la materia y la antimateria. Los resultados, descrito en un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza , muestran que estas primeras mediciones son consistentes con las predicciones teóricas de los efectos en el hidrógeno "normal", y allanar el camino para mediciones más precisas de estas y otras cantidades fundamentales.

"Encontrar alguna diferencia entre estas dos formas de materia sacudiría los cimientos del Modelo Estándar de la física de partículas, y estas nuevas mediciones sondean aspectos de la interacción de la antimateria, como el cambio de Lamb, que durante mucho tiempo hemos esperado abordar, "dice Jeffrey Hangst, portavoz del experimento ALPHA.

"Lo siguiente en nuestra lista es enfriar grandes muestras de antihidrógeno utilizando técnicas de enfriamiento por láser de última generación. Estas técnicas transformarán los estudios de antimateria y permitirán comparaciones de alta precisión sin precedentes entre materia y antimateria".

El equipo de ALPHA crea átomos de antihidrógeno uniendo antiprotones entregados por Antiproton Decelerator del CERN con antielectrones, más comúnmente llamado "positrones". Luego los confina en una trampa magnética en un vacío ultra alto, lo que les impide entrar en contacto con la materia y aniquilarse. Luego, se proyecta luz láser sobre los átomos atrapados para medir su respuesta espectral. Esta técnica ayuda a medir efectos cuánticos conocidos como la llamada estructura fina y el desplazamiento de Lamb, que corresponden a pequeñas divisiones en ciertos niveles de energía del átomo, y se midieron en este estudio en el átomo de antihidrógeno por primera vez. El equipo utilizó previamente este enfoque para medir otros efectos cuánticos en antihidrógeno, el último es una medición de la transición Lyman-alfa.

La fina estructura se midió en hidrógeno atómico hace más de un siglo, y sentó las bases para la introducción de una constante fundamental de la naturaleza que describe la fuerza de la interacción electromagnética entre partículas cargadas elementales. El cambio de Lamb se descubrió en el mismo sistema hace unos 70 años y fue un elemento clave en el desarrollo de la electrodinámica cuántica. la teoría de cómo interactúan la materia y la luz.

La medición de Lamb-shift, que le valió a Willis Lamb el Premio Nobel de Física en 1955, se informó en 1947 en la famosa conferencia de Shelter Island, la primera oportunidad importante para que los líderes de la comunidad física estadounidense se reúnan después de la guerra.

Nota tecnica

Tanto la estructura fina como el desplazamiento de Lamb son pequeñas divisiones en ciertos niveles de energía (o líneas espectrales) de un átomo, que se puede estudiar con espectroscopia. La división de estructura fina del segundo nivel de energía del hidrógeno es una separación entre los llamados 2P _3/2 y 2P _1/2 niveles en ausencia de un campo magnético. La división es causada por la interacción entre la velocidad del electrón del átomo y su rotación intrínseca (cuántica). El cambio de Lamb "clásico" es la división entre el 2S _1/2 y 2P _1/2 niveles, también en ausencia de un campo magnético. Es el resultado del efecto sobre el electrón de las fluctuaciones cuánticas asociadas con los fotones virtuales que aparecen y desaparecen en el vacío.

En su nuevo estudio, El equipo de ALPHA determinó la división de la estructura fina y el cambio de Lamb al inducir y estudiar las transiciones entre el nivel de energía más bajo de antihidrógeno y el 2P. _3/2 y 2P _1/2 niveles en presencia de un campo magnético de 1 Tesla. Usando el valor de la frecuencia de una transición que habían medido previamente, la transición 1S – 2S, y suponiendo que ciertas interacciones cuánticas fueran válidas para antihidrógeno, los investigadores infirieron de sus resultados los valores de la división de estructura fina y el desplazamiento de Lamb. Descubrieron que los valores inferidos son consistentes con las predicciones teóricas de las divisiones en hidrógeno "normal", dentro de la incertidumbre experimental del 2% para la división de estructura fina y del 11% para el desplazamiento de Lamb.