Cómo enfriar antiprotones como si fuesen una taza de café.

El método estándar para enfriar átomos neutros se basa en algo que nos es muy conocido: los átomos más calientes se evaporan, como el sudor en la superficie de la piel o el agua de una taza de café. Un equipo de científicos ha usado esta técnica, el enfriamiento evaporativo, con unas partículas cargadas muy particulares, antiprotones. El fin último del experimento es enfriarlos lo suficiente como para conseguir antihidrógeno que pueda ser atrapado y estudiado y, de esta manera, comprobar una de las simetrías básicas de la naturaleza.

En un artículo aparecido en Physical Review Letters se da cuenta por parte de la colaboración ALPHA de que se ha medido en el CERN un nuevo récord de baja temperatura en una nube de antiprotones. Los investigadores enfriaron una nube de unos 4.000 antiprotones hasta 9 kelvin usando enfriamiento evaporativo, la primera vez que se usa con partículas cargadas. Esta sería una nueva manera de crear y atrapar antihidrógeno.

El antihidrógeno, el hidrógeno de la antimateria, está compuesto de un antiprotón y de un positrón (antielectrón). Según el principio de simetría CPT (carga-paridad-tiempo), un pilar fundamental del modelo estándar de física de partículas, el hidrógeno y el antihidrógeno deberían compartir muchas características básicas, como la masa, el momento magnético y espectro de emisión. Si el hidrógeno y el antihidrógeno tuviesen espectros diferentes, aunque fuesen muy ligeramente diferentes, ello sería indicio de que existen principios de la física que estarían más allá del modelo estándar actual. Algo enormemente transcendente para nuestra comprensión del universo.

En el 2002, la colaboración ATHENA del CERN, la predecesora de la ALPHA, fue capaz de crear alrededor de cien átomos de antihidrógeno por segundo juntando antiprotones y positrones en una trampa que usa campos eléctricos y magnéticos. Este tipo de trampa sólo puede retener partículas cargadas, por lo que los átomos neutros de antihidrógeno escapaban tan pronto se formaban. Para atrapar el antihidrógeno en una trampa de átomos neutros y medir sus propiedades usando un láser, los investigadores necesitan bajar su temperatura a sólo medio grado por encima del cero absoluto.

Eso exige antiprotones extremadamente fríos, ya que son los responsables de la mayor parte de la energía térmica del antihidrógeno. Las técnicas anteriores empleaban electrones fríos para enfriar los antiprotones, pero la temperatura más fría alcanzada con este método ha sido de 100 kelvin. Por este motivo se decidió intentar usar el enfriamiento evaporativo que hasta ese momento sólo se había usado para átomos neutros.

No entraremos en detalles técnicos de cómo se realizó exactamente el experimento pero sí daremos una descripción general de cómo se usó el enfriamiento evaporativo. Los investigadores pusieron unos 40.000 antiprotones a una temperatura de 1000 K en su trampa electromagnética. Una trampa de partículas es como si fuera un cuenco, y los científicos fueron bajando lentamente un lado del cuenco, haciendo que éste tuviese menos capacidad y permitiendo que los antiprotones más calientes escapasen por este lado. Al final del experimento sólo quedaba el 10% de los protones originales, pero su temperatura era sólo de 9 K, unas 10 veces más fría que el mejor intento anterior. De hecho, alguno de estos protones estaría lo suficientemente frío como para hacer antihidrógeno atrapable.

Referencia:

Andresen, G., Ashkezari, M., Baquero-Ruiz, M., Bertsche, W., Bowe, P., Butler, E., Cesar, C., Chapman, S., Charlton, M., Fajans, J., Friesen, T., Fujiwara, M., Gill, D., Hangst, J., Hardy, W., Hayano, R., Hayden, M., Humphries, A., Hydomako, R., Jonsell, S., Kurchaninov, L., Lambo, R., Madsen, N., Menary, S., Nolan, P., Olchanski, K., Olin, A., Povilus, A., Pusa, P., Robicheaux, F., Sarid, E., Silveira, D., So, C., Storey, J., Thompson, R., van der Werf, D., Wilding, D., Wurtele, J., Yamazaki, Y., & , . (2010). Evaporative Cooling of Antiprotons to Cryogenic Temperatures Physical Review Letters, 105 (1) DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.013003

Nota: el "Cesar" que aparece como autor ni soy yo, ni es una broma. Se trata de Cláudio Lenz Cesar