¿Por qué el universo contiene materia y (prácticamente) nada de antimateria? La colaboración de investigación internacional BASE en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra, dirigida por el Prof. Dr. Stefan Ullmer de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU), ha logrado un gran avance experimental en este contexto. Esto podría contribuir a medir la masa y el momento magnético del antiprotón con mayor precisión que nunca y así detectar posibles asimetrías entre materia y antimateria. BASE ha desarrollado una trampa que puede enfriar los antiprotones individuales mucho más rápido que en el pasado, como explican ahora los investigadores en la revista Scientific Reports. Carta de revisión física.
Después del Big Bang, hace más de 13 mil millones de años, el universo estaba lleno de radiación de alta energía, que creaba continuamente pares de partículas de materia y antimateria como protones y antiprotones. Cuando un par así choca, las partículas se destruyen y se convierten nuevamente en energía pura. Entonces, después de todo, se debería crear y destruir de nuevo exactamente la misma cantidad de materia y antimateria, lo que significa que, como resultado, el universo debería carecer en gran medida de materia.
Sin embargo, existe claramente un desequilibrio –una asimetría– porque los objetos materiales existen. Se ha creado una cantidad minúscula más de materia que de antimateria, lo que contradice el modelo estándar de la física de partículas. Por ello, los físicos llevan décadas intentando ampliar el modelo estándar. Para ello también se requieren mediciones muy precisas de sus parámetros físicos básicos.
Este es el punto de partida de la colaboración BASE (“Experimento de simetría Baryon Antibaryon”). Entre ellos se incluyen las universidades de Düsseldorf, Hannover, Heidelberg, Mainz y Tokio, el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich y las instalaciones de investigación del CERN en Ginebra, el Centro GSI Helmholtz en Darmstadt, el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg, el Instituto Nacional de Metrología Instituto de Alemania (PTB) Braunschweig y RIKEN en Wako/Japón.
“La pregunta central que buscamos responder es: ¿Las partículas de materia y sus correspondientes partículas de antimateria tienen exactamente la misma masa y tienen exactamente el mismo momento magnético, o existen ligeras diferencias?” Así lo explicó el portavoz de BASE, el profesor Stefan Ullmer. Es profesor en el Instituto de Física Experimental de HHU y realiza investigaciones en el CERN y RIKEN.
Los físicos quieren tomar medidas de muy alta resolución de los llamados spin-flips (transiciones cuánticas del espín de un protón) para antiprotones individuales, ultrafríos y, por tanto, de energía extremadamente baja; Es decir, cambia la orientación del espín del protón. “A partir de la frecuencia de transición medida podemos, entre otras cosas, determinar los momentos magnéticos de los antiprotones, sus diminutas barras magnéticas internas, por así decirlo”, explicó Ullmer, y añadió: “El objetivo es alcanzar este nivel de protones sin precedentes”. y antiprotones. La precisión es si las barras magnéticas tienen la misma fuerza”.
Preparar antiprotones individuales para su medición de una manera que permita lograr dicha precisión es una tarea experimental que requiere mucho tiempo. La colaboración BASE ha dado ahora un paso decisivo en este sentido.
La Dra. Barbara Maria Latakz del CERN y autora principal del estudio, publicado ahora como “aviso para el editor” en Physical Review Letters, dijo: “Necesitamos antiprotones con una temperatura máxima de 200 mK, es decir, partículas extremadamente frías. La única manera de distinguir entre diferentes estados cuánticos de espín. Antes se necesitaban 15 horas para enfriar los antiprotones, que obtenemos del complejo acelerador del CERN, nuestro nuevo método de enfriamiento reduce este tiempo a ocho minutos”.
Los investigadores lograron esto combinando dos trampas de Penning en un solo dispositivo, una “trampa doble de enfriamiento del demonio de Maxwell”. Esta trampa permite preparar sólo los antiprotones más fríos de forma específica y utilizarlos para mediciones posteriores de spin-flip; Las partículas más calientes son rechazadas. Esto elimina el tiempo necesario para enfriar los antiprotones calientes.
Se requiere un tiempo de enfriamiento significativamente más corto para obtener las estadísticas de medición requeridas en un período de tiempo significativamente más corto para reducir aún más la incertidumbre de la medición. Latacz: “Necesitamos al menos 1.000 ciclos de medición individuales. Con nuestra nueva trampa, necesitamos aproximadamente un mes de tiempo de medición para esto, en comparación con unos diez años con la antigua técnica, que es imposible de realizar experimentalmente”.
Ulmer: “Con las trampas de base ya hemos podido medir que los momentos magnéticos de protones y antiprotones difieren como máximo en una milmillonésima parte; estamos hablando de 10-9. Pudimos mejorar la tasa de error de detección de giro en un factor de más de 1000. En la próxima campaña de medición esperamos mejorar la precisión del momento magnético a 10-10“
El profesor Ulmer sobre sus planes futuros: “Queremos construir una trampa de partículas móvil con la que podamos transportar los antiprotones producidos en el CERN de Ginebra a un nuevo laboratorio en el HHU. Está configurado de modo que podamos esperar al menos otro de 10 Mejorar la precisión de la medición en un factor”.
Antecedentes: trampas para partículas elementales
Las trampas pueden almacenar partículas elementales individuales cargadas eléctricamente, sus antipartículas o incluso núcleos atómicos durante largos períodos de tiempo utilizando campos magnéticos y eléctricos. Es posible un período de almacenamiento de más de diez años. Luego se pueden realizar mediciones de partículas específicas en la trampa.
Hay dos tipos básicos de construcción: la llamada trampa de Paul (desarrollada por el físico alemán Wolfgang Paul en los años 50) utiliza un campo eléctrico alterno para atrapar partículas. La “trampa de Penning” desarrollada por Hans G. Dehmelt utiliza un campo magnético homogéneo y un campo electrostático cuadrupolar. Ambos físicos recibieron el Premio Nobel en 1989 por su desarrollo.