Científicos del CERN han conseguido medir con una precisión cien veces superior la división hiperfina del estado fundamental del antihidrógeno. Este avance, logrado por el experimento ALPHA, representa un hito crucial para comprender mejor la antimateria y verificar las simetrías fundamentales de la naturaleza, abriendo nuevas vías para el estudio de la electrodinámica cuántica.
La antimateria es un campo de estudio fascinante, no solo por su naturaleza intrínseca, sino también por el papel aún misterioso que pudo haber desempeñado en el origen del universo. Los científicos aún carecen de las herramientas necesarias para comprender con precisión el rol de esta forma de materia en la formación del cosmos y los mecanismos que rigen el delicado equilibrio entre materia y antimateria. Afortunadamente, sí conocen sus componentes elementales y algunas de sus propiedades.
Comprender qué es la antimateria es relativamente sencillo. Se puede definir como un tipo exótico de materia compuesto por antipartículas, que son partículas con la misma masa y espín que las partículas comunes, pero con carga eléctrica opuesta. Así, el positrón o antielectrón es la antipartícula del electrón, y el antiprotón es la antipartícula del protón.
Una propiedad sorprendente de la antimateria es que, al entrar en contacto directo con la materia, ambas se aniquilan, liberando una gran cantidad de energía en forma de fotones de alta energía y otros posibles pares partícula-antipartícula. Actualmente, se investiga en los centros de física de partículas más importantes del mundo con la esperanza de que un mejor conocimiento nos ayude a resolver algunos de los misterios cósmicos que aún nos eluden.
La división hiperfina del antihidrógeno ha quedado al descubierto
La fábrica de antimateria del CERN produce esta forma de materia al disparar protones de alta energía, provenientes de un sincrotrón adyacente, contra un bloque metálico. Este proceso genera una cascada de partículas secundarias, entre las que surgen antiprotones. Posteriormente, estas partículas pueden ser enfriadas para su uso en los experimentos de la instalación. ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus o aparato de física láser del antihidrógeno) es uno de estos experimentos, especializado en la producción de antihidrógeno mediante la fusión de antiprotones con positrones. Luego, los investigadores emplean campos magnéticos para confinar el antihidrógeno y estudiarlo en profundidad.
Un átomo de antihidrógeno está compuesto por un antiprotón en su núcleo y un positrón orbitando a su alrededor, de manera similar a como un átomo de hidrógeno contiene un protón en torno al cual orbita un electrón. Los isótopos del hidrógeno, deuterio y tritio, tienen además uno o dos neutrones en el núcleo, respectivamente. Los investigadores del experimento ALPHA han logrado un hito asombroso: han medido la división hiperfina del estado fundamental del átomo de antihidrógeno con una precisión de 4 partes por millón, mejorando en dos órdenes de magnitud el resultado anterior.
La división hiperfina del estado fundamental del átomo de antihidrógeno es la pequeña separación del estado energético más bajo del átomo, causada por la interacción magnética entre el antiprotón y el positrón. De acuerdo con las simetrías fundamentales de la naturaleza, esta medición debería ser idéntica al efecto equivalente observado en el hidrógeno. Este logro es sumamente importante porque permite realizar pruebas muy rigurosas en el ámbito de la electrodinámica cuántica, la teoría más precisa que describe las interacciones entre las partículas con carga y la luz.
Jeffrey Hangst, portavoz del experimento ALPHA, explica que "la división hiperfina del estado fundamental del hidrógeno es el origen de la llamada línea de 21 centímetros, tan apreciada por los radioastrónomos y los investigadores que buscan inteligencia extraterrestre [...]. Cuando se concibió la fábrica de antimateria en los años 90, la división hiperfina del antihidrógeno era uno de los objetivos de medición clave que justificaban la construcción de la instalación".
Hangst ha señalado que "la medición actual representa la culminación de muchos años de esfuerzo". "Hemos perseguido la determinación precisa de la división hiperfina del antihidrógeno desde que demostramos cómo atrapar átomos de antimateria en 2010. Y ahora otro grupo de la fábrica de antimateria, la colaboración ASACUSA, también está intentando estudiar esta transición tan importante. Su técnica, si logra demostrarse, tiene el potencial de alcanzar una precisión aún mayor". Gracias al alto nivel de precisión alcanzado por ALPHA, la medición de la división hiperfina es sensible a los efectos de la estructura interna del antiprotón en el centro del átomo de antihidrógeno. En cualquier caso, este resultado es un paso muy importante en el esfuerzo por explorar con más profundidad la naturaleza de la antimateria.
