Desde que se propuso la existencia de la antimateria a principios del siglo XX, los científicos han intentado comprender cómo se relaciona con la materia normal y por qué existe un desequilibrio aparente entre los dos en el Universo. Para hacer esto, la investigación de física de partículas en las últimas décadas se ha centrado en la antipartícula del átomo más elemental y abundante del Universo: la partícula antihidrógeno.
Hasta hace poco, esto ha sido muy difícil, ya que los científicos han podido producir antihidrógeno, pero no han podido estudiarlo durante mucho tiempo antes de que se aniquilara. Pero según un estudio reciente publicado en Naturaleza, un equipo que utilizó el experimento ALPHA pudo obtener la primera información espectral sobre antihidrógeno. Este logro, que lleva 20 años en desarrollo, podría abrir una era completamente nueva de investigación sobre la antimateria.
Medir cómo los elementos absorben o emiten luz, es decir, la espectroscopia, es un aspecto importante de la física, la química y la astronomía. No solo permite a los científicos caracterizar átomos y moléculas, sino que permite a los astrofísicos determinar la composición de estrellas distantes mediante el análisis del espectro de la luz que emiten.
En el pasado, muchos estudios se han llevado a cabo en el espectro de hidrógeno, que constituye aproximadamente el 75% de toda la masa bariónica en el Universo. Estos han jugado un papel vital en nuestra comprensión de la materia, la energía y la evolución de múltiples disciplinas científicas. Pero hasta hace poco, estudiar el espectro de su antipartícula ha sido increíblemente difícil.
Para empezar, requiere que las partículas que constituyen el antihidrógeno (antiprotones y positrones (antielectrones)) se capturen y enfríen para que puedan unirse. Además, es necesario mantener estas partículas el tiempo suficiente para observar su comportamiento, antes de que inevitablemente entren en contacto con la materia normal y se aniquilen.
Afortunadamente, la tecnología ha progresado en las últimas décadas hasta el punto en que ahora es posible la investigación sobre la antimateria, lo que brinda a los científicos la oportunidad de deducir si la física detrás de la antimateria es consistente con el Modelo Estándar o va más allá. Como el equipo de investigación del CERN, que fue dirigido por el Dr. Ahmadi del Departamento de Física de la Universidad de Liverpool, indicó en su estudio:
"El Modelo Estándar predice que debería haber cantidades iguales de materia y antimateria en el Universo primordial después del Big Bang, pero se observa que el Universo de hoy consiste casi exclusivamente en materia ordinaria. Esto motiva a los físicos a estudiar cuidadosamente la antimateria, para ver si hay una pequeña asimetría en las leyes de la física que rigen los dos tipos de materia ".
A partir de 1996, esta investigación se realizó utilizando el experimento del aparato AnTiHydrogEN (ATHENA), una parte de la instalación del desacelerador antiprotón del CERN. Este experimento fue responsable de capturar antiprotones y positrones, luego enfriarlos hasta el punto en que se pueden combinar para formar anitidrógeno. Desde 2005, esta tarea se ha convertido en responsabilidad del sucesor de ATHENA, el experimento ALPHA.
Usando instrumentos actualizados, ALPHA captura átomos de antihidrógeno neutro y los retiene durante un período más largo antes de que se aniquilen inevitablemente. Durante este tiempo, los equipos de investigación realizan análisis espectrográficos utilizando el láser ultravioleta de ALPHA para ver si los átomos obedecen las mismas leyes que los átomos de hidrógeno. Como Jeffrey Hangst, el portavoz de la colaboración ALPHA, explicó en una actualización 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 antimateria ... Mover y atrapar antiprotones o positrones es fácil porque son partículas cargadas". Pero cuando combina los dos, obtiene un antihidrógeno neutro, que es mucho más difícil de atrapar, por lo que hemos diseñado una trampa magnética muy especial que se basa en el hecho de que el antihidrógeno es un poco magnético ”.
Al hacerlo, el equipo de investigación pudo medir la frecuencia de luz necesaria para hacer que un positrón pase de su nivel de energía más bajo al siguiente. Lo que encontraron fue que (dentro de los límites experimentales) no había diferencia entre los datos espectrales antihidrógeno y el del hidrógeno. Estos resultados son primero experimentales, ya que son las primeras observaciones espectrales que se hayan hecho de un átomo de antihidrógeno.
Además de permitir las comparaciones entre la materia y la antimateria por primera vez, estos resultados muestran que el comportamiento de la antimateria, en relación con sus características espectrográficas, es consistente con el Modelo Estándar. Específicamente, son consistentes con lo que se conoce como simetría de carga-paridad-tiempo (CPT).
Esta teoría de la simetría, que es fundamental para la física establecida, predice que los niveles de energía en la materia y la antimateria serían los mismos. Como explicó el equipo en su estudio:
“Hemos realizado la primera medición espectroscópica con láser en un átomo de antimateria. Este ha sido durante mucho tiempo un logro codiciado en la física de antimateria de baja energía. Marca un punto de inflexión desde experimentos de prueba de principio hasta metrología seria y comparaciones de CPT de precisión utilizando el espectro óptico de un antátomo. El resultado actual ... demuestra que las pruebas de simetrías fundamentales con antimateria en AD están madurando rápidamente ".
En otras palabras, la confirmación de que la materia y la antimateria tienen características espectrales similares es otra indicación de que el Modelo Estándar se mantiene, tal como lo hizo el descubrimiento del Bosón de Higgs en 2012. También demostró la efectividad del experimento ALPHA para atrapar partículas de antimateria, lo que tendrá beneficios para otros experimentos antihidrógeno.
Naturalmente, los investigadores del CERN estaban muy entusiasmados con este hallazgo, y se espera que tenga implicaciones drásticas. Más allá de ofrecer un nuevo medio para probar el Modelo Estándar, también se espera que ayude en gran medida a ayudar a los científicos a comprender por qué hay un desequilibrio de materia y antimateria en el Universo. Otro paso crucial para descubrir exactamente cómo surgió el Universo tal como lo conocemos.
