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El Aparato de Física Láser de Antihidrógeno ( ALPHA ), también conocido como AD-5 , es un experimento del Decelerador de Antiprotones del CERN , diseñado para atrapar antihidrógeno en una trampa magnética con el fin de estudiar sus espectros atómicos . El objetivo final del experimento es comprobar la simetría CPT comparando los espectros respectivos del hidrógeno y el antihidrógeno. [ 1 ] Entre los científicos que participan en ALPHA se encuentran antiguos miembros del experimento ATHENA (AD-1), el primero en producir antihidrógeno frío en 2002.
El 27 de septiembre de 2023, los colaboradores de ALPHA publicaron hallazgos que sugieren que la antimateria interactúa con la gravedad de una manera similar a la materia ordinaria, lo que respalda una predicción del principio de equivalencia débil . [ 2 ] [ 3 ]
Configuración experimental
Trabajar con antimateria presenta varios desafíos experimentales. Se requieren trampas magnéticas —donde los átomos neutros se atrapan utilizando sus momentos magnéticos— para evitar que la antimateria se aniquile con la materia, pero son notoriamente débiles. Solo se pueden atrapar átomos con energías cinéticas equivalentes a menos de un kelvin. Los proyectos ATHENA y ATRAP (AD-2) produjeron antihidrógeno mediante la fusión de plasmas fríos de positrones y antiprotones . Si bien este método ha tenido bastante éxito, crea átomos de antimateria con energías cinéticas demasiado grandes para ser atrapados. Además, para realizar espectroscopia láser en estos átomos de antimateria, deben estar en su estado fundamental , algo que no parece ser el caso para la mayoría de los átomos de antimateria creados con esta técnica.
Los antiprotones se reciben del decelerador de antiprotones y se mezclan con positrones provenientes de un acumulador de positrones especialmente diseñado en una versátil trampa de Penning . La región central donde tiene lugar la mezcla y, por lo tanto, la formación de antihidrógeno, está rodeada por un imán octupolar superconductor y dos bobinas espejo solenoides cortas separadas axialmente para formar una trampa magnética de campo mínimo . Una vez atrapado, el antihidrógeno puede estudiarse y sus mediciones compararse con las del hidrógeno.
Detección de antihidrógeno
Para detectar el antihidrógeno atrapado, ALPHA también incluye un detector de vértice de silicio: un detector cilíndrico compuesto por tres capas de tiras de silicio. Cada tira actúa como detector de las partículas cargadas que la atraviesan. Al registrar cómo se excitan las tiras, ALPHA puede reconstruir las trayectorias de las partículas que viajan a través del detector. Cuando un antiprotón se aniquila, el proceso suele resultar en la emisión de 3 o 4 piones cargados . Al reconstruir sus trayectorias a través del detector, se puede determinar la ubicación de la aniquilación. Estas trayectorias son bastante distintas de las de los rayos cósmicos que también se detectan, pero debido a su alta energía, atraviesan el detector directamente.
Para confirmar el éxito del atrapamiento, el imán ALPHA, que genera el campo magnético mínimo, se diseñó para permitir una desenergización rápida y repetida. La disminución de la corriente durante la desenergización tiene una duración característica de 9 ms, órdenes de magnitud más rápida que en sistemas similares. En teoría, la rápida velocidad de apagado y la capacidad de suprimir las señales falsas de rayos cósmicos permiten a ALPHA detectar la liberación de átomos individuales de antihidrógeno durante la desenergización.
Refrigeración antihidrógeno
Uno de los principales desafíos al trabajar con antihidrógeno es enfriarlo lo suficiente para poder atraparlo. Los antiprotones y positrones no se enfrían fácilmente a temperaturas criogénicas , por lo que para lograrlo, ALPHA ha implementado una técnica bien conocida de la física atómica llamada enfriamiento evaporativo . [ 4 ] Las trampas de mínimo campo magnético de última generación, como la que utiliza ALPHA, tienen profundidades del orden de 1 Kelvin.
Resultados
Un experimento preliminar realizado en 2013 encontró que la masa gravitacional de los átomos de antihidrógeno estaba entre -65 y 110 veces su masa inercial , dejando un margen considerable para el refinamiento utilizando un mayor número de átomos de antihidrógeno más fríos. [ 5 ]
ALPHA ha logrado enfriar átomos de antihidrógeno mediante láser , una técnica conocida como que se demostró por primera vez en materia normal en 1978. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
El 27 de septiembre de 2023, el equipo ALPHA publicó un artículo que respalda la predicción de que la interacción gravitacional de la antimateria es similar a la de la materia ordinaria. Para que el principio de equivalencia débil de la relatividad general sea correcto, se requiere que ambas sustancias presenten propiedades gravitacionales idénticas. [ 2 ] [ 3 ] Los hallazgos descartan una «antigravedad repulsiva», como teorizaron previamente algunos investigadores del campo.
Colaboradores
Entre los colaboradores de ALPHA se incluyen las siguientes instituciones:
- Universidad de Aarhus , Dinamarca
- Universidad de Columbia Británica , Canadá
- Universidad de California, Berkeley , EE. UU.
- Universidad de Calgary , Canadá
- Universidad de Liverpool , Reino Unido
- Universidad de Manitoba , Canadá
- Centro de Investigación Nuclear del Negev , Israel
- Universidad de Purdue , EE. UU.
- RIKEN , Japón
- Universidad Federal de Río de Janeiro , Brasil
- Universidad de Swansea , Reino Unido
- Universidad de Tokio , Japón
- Universidad de York , Canadá
- TRIUNFO , Canadá
Referencias
- ↑ Madsen, N. (2010). "Antihidrógeno frío: una nueva frontera en la física fundamental" . Philosophical Transactions of the Royal Society A. 368 ( 1924): 3671–82 . Bibcode : 2010RSPTA.368.3671M . doi : 10.1098/rsta.2010.0026 . PMID 20603376. S2CID 12748830. Archivado del original el 29 de marzo de 2020. Consultado el 22 de julio de 2021 .
- 1 2 Overbye, Dennis (27 de septiembre de 2023). "No hay nada malo con la antimateria, confirma un nuevo experimento - Considérenlo una buena noticia, dicen los físicos: "El resultado opuesto habría tenido grandes implicaciones"." . The New York Times . Consultado el 28 de septiembre de 2023 .
{{cite news}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace ) - 1 2 Anderson, EK (27 de septiembre de 2023). "Observación del efecto de la gravedad en el movimiento de la antimateria" . Nature . 621 ( 7980): 716– 722. Bibcode : 2023Natur.621..716A . doi : 10.1038/s41586-023-06527-1 . hdl : 20.500.11850/636368 . PMC 10533407. PMID 37758891 .
- ↑ Grossman, Lisa (2010). "Los antiprotones más geniales" . Física . 26. Sociedad Estadounidense de Física . Archivado del original el 4 de julio de 2010. Recuperado el 2 de julio de 2010 .
- ↑ The ALPHA Collaboration & AE Charman (2013). "Descripción y primera aplicación de una nueva técnica para medir la masa gravitacional del antihidrógeno" . Nature Communications . 4 : 1785. Bibcode : 2013NatCo...4.1785A . doi : 10.1038/ncomms2787 . PMC 3644108. PMID 23653197 . Número de artículo: 1785.
- ↑ Baker, CJ; Bertsche, W.; Capra, A.; Carruth, C.; Cesar, CL; Charlton, M.; Christensen, A.; Collister, R.; Mathad, A. Cridland; Eriksson, S.; Evans, A. (2021). "Enfriamiento láser de átomos de antihidrógeno" . Nature . 592 (7852): 35– 42. Bibcode : 2021Natur.592...35B . doi : 10.1038/ s41586-021-03289-6 . ISSN 1476-4687 . PMC 8012212. PMID 33790445 .
- ↑ Wineland, DJ; Drullinger, RE; Walls, FL (1978). "Enfriamiento por presión de radiación de absorbedores resonantes ligados" . Physical Review Letters . 40 (25): 1639– 1642. Bibcode : 1978PhRvL..40.1639W . doi : 10.1103/PhysRevLett.40.1639 . ISSN 0031-9007 .
- ↑ Neuhauser, W.; Hohenstatt, M.; Toschek, P.; Dehmelt, H. (1978). "Enfriamiento de banda lateral óptica de una nube de átomos visibles confinada en un pozo parabólico" . Physical Review Letters . 41 (4): 233– 236. Bibcode : 1978PhRvL..41..233N . doi : 10.1103/PhysRevLett.41.233 . ISSN 0031-9007 . Archivado del original el 29-09-2023 . Recuperado el 22-07-2021 .
Enlaces externos
Registro del experimento ALPHA en INSPIRE-HEP
- Antimateria
- experimentos del CERN
- experimentos con partículas
