Antihidrógeno

El antihidrogeno consiste en un antiprotón y un positrón

Antihidrógeno (
H
) es la contraparte de antimateria del hidrógeno. Mientras que el átomo de hidrógeno común se compone de un electrón y un protón, el átomo de antihidrógeno se compone de un positrón y un antiprotón. Los científicos esperan que el estudio del antihidrógeno pueda arrojar luz sobre la cuestión de por qué hay más materia que antimateria en el universo observable, conocido como problema de asimetría bariónica. El antihidrógeno se produce artificialmente en aceleradores de partículas.

Historia experimental

Los aceleradores detectaron antihidrógeno caliente por primera vez en la década de 1990. ATHENA estudió frío
H
en 2002. Primero fue atrapado por el equipo del Aparato de Física de Láser Antihidrógeno (ALPHA) en el CERN en 2010, quien luego midió la estructura y otras propiedades importantes. ALPHA, AEGIS y GBAR planean seguir enfriando y estudiando
H
átomos.

Medición de transición 1s-2s

En 2016, el experimento ALPHA midió la transición de electrones atómicos entre los dos niveles de energía más bajos de antihidrógeno, 1s-2s. Los resultados, que son idénticos a los del hidrógeno dentro de la resolución experimental, respaldan la idea de la simetría materia-antimateria y la simetría CPT.

En presencia de un campo magnético, la transición 1s-2s se divide en dos transiciones hiperfinas con frecuencias ligeramente diferentes. El equipo calculó las frecuencias de transición para el hidrógeno normal bajo el campo magnético en el volumen de confinamiento como:

f_dd = 24660611030642) kHz

f_cc = 24660617071042) kHz

Las reglas de selección cuántica prohíben una transición de un solo fotón entre estados s, por lo que para elevar los positrones del estado fundamental al nivel 2s, el espacio de confinamiento se iluminó con un láser sintonizado a la mitad de las frecuencias de transición calculadas, lo que permitió estimular la absorción de dos fotones..

Los átomos de antihidrógeno excitados al estado 2s pueden evolucionar de varias maneras:

• Pueden emitir dos fotones y regresar directamente al estado del suelo como estaban
• Pueden absorber otro fotón, que ioniza el átomo
• Pueden emitir un solo fotón y regresar al estado del suelo a través del estado 2p, en este caso el giro positron puede girar o permanecer el mismo.

Tanto los resultados de la ionización como del cambio de espín hacen que el átomo escape del confinamiento. El equipo calculó que, suponiendo que el antihidrógeno se comporte como el hidrógeno normal, aproximadamente la mitad de los átomos de antihidrógeno se perderían durante la exposición a la frecuencia resonante, en comparación con el caso sin láser. Con la fuente láser sintonizada a 200 kHz por debajo de la mitad de las frecuencias de transición, la pérdida calculada fue esencialmente la misma que en el caso sin láser.

El equipo de ALPHA hizo lotes de antihidrógeno, los mantuvo durante 600 segundos y luego redujo el campo de confinamiento durante 1,5 segundos mientras contaba cuántos átomos de antihidrógeno se aniquilaron. Hicieron esto bajo tres condiciones experimentales diferentes:

• Resonancia: – exponer los átomos de antihidrógeno confinados a una fuente láser sintonizada con la mitad exacta de la frecuencia de transición durante 300 segundos para cada una de las dos transiciones,
• Sin resonancia: – exponer los átomos de antihidrógeno confinados a una fuente láser sintonizado 200 kilohercios debajo de las dos frecuencias de resonancia durante 300 segundos cada uno,
• No-laser: – confiando los átomos de antihidrógeno sin iluminación láser.

Los dos controles, sin resonancia y sin láser, eran necesarios para garantizar que la propia iluminación del láser no provocara aniquilaciones, tal vez liberando átomos normales de la superficie del recipiente de confinamiento que luego podrían combinarse con el antihidrógeno.

El equipo realizó 11 ejecuciones de los tres casos y no encontró diferencias significativas entre las ejecuciones sin resonancia y sin láser, pero sí una caída del 58 % en la cantidad de eventos detectados después de las ejecuciones con resonancia. También pudieron contar los eventos de aniquilación durante las carreras y encontraron un nivel más alto durante las carreras de resonancia, nuevamente sin diferencias significativas entre las carreras sin resonancia y sin láser. Los resultados coincidieron con las predicciones basadas en el hidrógeno normal y pueden "interpretarse como una prueba de simetría CPT con una precisión de 200 ppt".

Características

El teorema CPT de la física de partículas predice que los átomos de antihidrógeno tienen muchas de las características que tiene el hidrógeno regular; es decir, la misma masa, momento magnético y frecuencias de transición de estado atómico (ver espectroscopía atómica). Por ejemplo, se espera que los átomos de antihidrógeno excitados brillen con el mismo color que el hidrógeno normal. Los átomos de antihidrógeno deberían ser atraídos gravitacionalmente hacia otra materia o antimateria con una fuerza de la misma magnitud que experimentan los átomos de hidrógeno ordinarios. Esto no sería cierto si la antimateria tuviera una masa gravitatoria negativa, lo que se considera muy poco probable, aunque aún no se ha refutado empíricamente (ver interacción gravitatoria de la antimateria). Se ha desarrollado un marco teórico reciente para la masa negativa y la gravedad repulsiva (antigravedad) entre la materia y la antimateria, y la teoría es compatible con el teorema CPT.

Cuando el antihidrógeno entra en contacto con la materia ordinaria, sus constituyentes se aniquilan rápidamente. El positrón se aniquila con un electrón para producir rayos gamma. El antiprotón, por otro lado, está formado por antiquarks que se combinan con quarks en neutrones o protones, lo que da como resultado piones de alta energía, que rápidamente se descomponen en muones, neutrinos, positrones y electrones. Si los átomos de antihidrógeno estuvieran suspendidos en un vacío perfecto, deberían sobrevivir indefinidamente.

Como antielemento, se espera que tenga exactamente las mismas propiedades que el hidrógeno. Por ejemplo, el antihidrógeno sería un gas en condiciones estándar y se combinaría con el antioxígeno para formar antiagua,
H
₂
O
.

Producción

El primer antihidrógeno fue producido en 1995 por un equipo dirigido por Walter Oelert en el CERN utilizando un método propuesto por primera vez por Charles Munger Jr, Stanley Brodsky e Ivan Schmidt Andrade.

En el LEAR, se dispararon antiprotones de un acelerador a los grupos de xenón, produciendo pares de electrones y positrones. Los antiprotones pueden capturar positrones con una probabilidad de 10⁻¹⁹, por lo que este método no es adecuado para una producción sustancial, según lo calculado. Fermilab midió una sección transversal algo diferente, de acuerdo con las predicciones de la electrodinámica cuántica. Ambos dieron como resultado antiátomos altamente energéticos o calientes, inadecuados para un estudio detallado.

Posteriormente, el CERN construyó el Antiproton Decelerator (AD) para respaldar los esfuerzos hacia el antihidrógeno de baja energía, para pruebas de simetrías fundamentales. El AD suministrará a varios grupos del CERN. CERN espera que sus instalaciones sean capaces de producir 10 millones de antiprotones por minuto.

Antihidrógeno de baja energía

Los experimentos de las colaboraciones ATRAP y ATHENA en el CERN reunieron positrones y antiprotones en trampas de Penning, lo que resultó en una síntesis a una velocidad típica de 100 átomos de antihidrógeno por segundo. El antihidrógeno fue producido por primera vez por ATHENA en 2002, y luego por ATRAP y, en 2004, se produjeron millones de átomos de antihidrógeno. Los átomos sintetizados tenían una temperatura relativamente alta (unos pocos miles de kelvin), y como consecuencia golpearían las paredes del aparato experimental y se aniquilarían. La mayoría de las pruebas de precisión requieren largos tiempos de observación.

ALPHA, un sucesor de la colaboración ATHENA, se formó para atrapar antihidrógeno de manera estable. Si bien es eléctricamente neutro, sus momentos magnéticos de espín interactúan con un campo magnético no homogéneo; algunos átomos serán atraídos a un mínimo magnético, creado por una combinación de campos especulares y multipolares.

En noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que había atrapado 38 átomos de antihidrógeno durante un sexto de segundo, el primer confinamiento de antimateria neutra. En junio de 2011, atraparon 309 átomos de antihidrógeno, hasta 3 simultáneamente, durante un máximo de 1.000 segundos. Luego estudiaron su estructura hiperfina, los efectos de la gravedad y la carga. ALPHA continuará con las mediciones junto con los experimentos ATRAP, AEGIS y GBAR.

Átomos de antimateria más grandes

Átomos de antimateria más grandes, como el antideuterio (
D
), antitritio (
T
) y antihelio (
Él
) son mucho más difíciles de producir. Antideuterio, antihelio-3 (³
Él
) y antihelio-4 (⁴
Él
) se han producido núcleos con velocidades tan altas que la síntesis de sus átomos correspondientes plantea varios obstáculos técnicos.