La medición precisa proporciona nuevos conocimientos sobre la física del protón
Los investigadores de la colaboración ALPHA del CERN miden la estructura eléctrica y magnética del protón.
El protón, uno de los componentes fundamentales de la materia, está formado por partículas aún más fundamentales llamadas quarks y gluones. La estructura y dinámica del protón son complejas y aún no se comprenden del todo. Sin embargo, un conocimiento preciso de estas propiedades es indispensable para comprender diversos procesos, como la fusión nuclear, que es un candidato prometedor para asegurar nuestro suministro energético en el futuro, o las propiedades de las estrellas de neutrones.
Las propiedades eléctricas y magnéticas del protón se encuentran entre sus características más básicas. La carga eléctrica y el momento magnético, que describen la fuerza del protón como imán, se pueden medir con precisión en experimentos específicos. Las desviaciones de los valores predichos con precisión para el tamaño del protón y la fuerza magnética dados por el Modelo Estándar fundamental de la física de partículas serían un signo de una nueva física más allá del Modelo Estándar. Se espera que estos fenómenos hasta ahora no descubiertos ocurran en las escalas extremadamente altas de energía y longitud que caracterizaron el universo primitivo, microsegundos después del Big Bang. Constituyen cantidades objetivo importantes para el programa de investigación del Departamento de Física de Altas Energías de DESY, ya que contienen la clave para comprender cómo se formó nuestro universo.
Un equipo de investigadores dirigido por miembros del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) y la Universidad de Mainz, ambas ubicadas en Alemania, en colaboración con colegas de otros institutos, utilizó las propiedades únicas de los átomos de antihidrógeno para medir la energía del protón. momento magnético con una precisión sin precedentes. El antihidrógeno consta de un antiprotón y un antielectrón (llamado positrón). Ambas contrapartes tienen la misma masa pero carga eléctrica opuesta a sus contrapartes ordinarias. Como consecuencia, las mediciones realizadas con antihidrógeno permiten aislar y determinar con precisión propiedades de los protones que son difíciles o imposibles de medir directamente en hidrógeno.
Los investigadores crearon antihidrógeno en el aparato ALPHA-2 del Antiproton Decelerator del CERN. El momento magnético del protón se midió guiando antiprotones a través de un campo magnético y observando cómo giran sus espines cuando se invierte el campo magnético. El experimento fue un desafío, ya que se necesitaron más de 10 millones de antiprotones para una sola medición, una cantidad tremenda si se tiene en cuenta que la producción de un solo antiprotón suele implicar sofisticados procesos de varios pasos que duran varios días. Para superar este obstáculo, los investigadores emplearon una ingeniosa técnica de "embotellado de antihidrógeno". Almacenaron antiprotones en un entorno de vacío ultraalto durante varias semanas, lo que permitió que los antiprotones acumulados se utilizaran para múltiples mediciones a pesar de las tasas de producción extremadamente bajas.
La combinación del nuevo resultado de ALPHA-2 y mediciones anteriores realizadas en el Instituto Paul Scherrer (Villigen, Suiza) arroja el valor más preciso del momento magnético del protón hasta la fecha y proporciona una prueba rigurosa de la electrodinámica cuántica. El resultado representa un avance sustancial en el camino hacia el objetivo final de la colaboración ALPHA:una comparación precisa entre las propiedades del hidrógeno y el antihidrógeno, que buscará indicios de nuevas interacciones y simetrías fundamentales.
