Como cualquier fanático de Star Trek sabe, que la antimateria se supone que es exactamente lo opuesto a la materia, de modo que si los dos tocan se aniquilan entre sí en un destello de energía pura. Ahora, después de décadas de intentarlo, los físicos han comparado precisamente átomos y antiatomos. Los dos parecen comportarse de la misma manera dentro de una pequeña incertidumbre, y de una manera enrevesada el resultado apoya la base de la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein. También abre el camino a comparaciones más estrictas de materia-antimateria, y la posibilidad de que los dos no sean exactamente opuestos.

El experimento les ha durado 30 años y siguen investigando

"Hemos estado esperando esto durante 30 años", dice Thomas Udem, un físico experimental en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, que trabaja en mediciones de precisión de hidrógeno.

"Lo considero un logro increíble". La medida es "una obra de arte", dice Stefan Ulmer, un experimentador en el instituto de investigación RIKEN de Japón en Wako, que tampoco participó en el nuevo trabajo.

Un átomo de antihidrógeno consiste en un antielectrón (o positrón) unido a un antiprotón. Desde 2002, algunos grupos han estado estudiando antihidrógeno en el laboratorio europeo de física de partículas CERN cerca de Ginebra, Suiza, la única fuente principal de antiprotones del mundo.

Tal trabajo no conducirá a nada como la impulsión warp de Star Trek, pero puede permitir a los físicos determinar si los átomos de hidrógeno y antihidrógeno tienen exactamente las mismas masas, espines y otras propiedades básicas.

Si no, el resultado estropearía el modelo estándar de las partículas y fuerzas fundamentales de los físicos. La teoría posee un tipo de simetría matemática que requiere partículas y antipartículas para ser contrarios al espejo. Arruinar esa simetría y, trabajando hacia atrás a través de la teoría, las implicaciones serían revocar la premisa central de la teoría especial esencialmente el concepto de Einstein de que no hay manera de saber si usted está parado o en movimiento en relación con el universo.

Por lo tanto, cualquier diferencia entre materia y antimateria requeriría un replanteamiento de toda la física moderna.

Una prueba clave de la simetría de la materia-antimateria es comparar las frecuencias de la luz absorbida por el hidrógeno y los átomos de antihidrógeno. De acuerdo con la mecánica cuántica, un átomo solo puede absorber un fotón de energías y colores particulares a medida que el electrón dentro del átomo salta de un estado de energía más bajo a un estado de energía superior.

Según el modelo estándar, el hidrógeno y el antihidrógeno deberían tener exactamente los mismos estados y absorber fotones de las mismas energías exactas.

Jeffrey Hangst, un físico experimental en la Universidad de Aarhus en Dinamarca, y sus 48 colegas de la colaboración ALPHA del CERN han medido con precisión la diferencia de energía entre el estado de energía más bajo de anti-hidrógeno, llamado las 1S, y un estado de energía más alto conocido como el 2S, con mucho, la transición medida más precisamente en el hidrógeno ordinario.

Los experimento con átomos de hidrógeno ordinarios se trabajan con luz láser

Si los experimentadores trabajaran con átomos de hidrógeno ordinarios, podrían haber usado luz láser para impulsar átomos a su estado 2S y luego hacerles cosquillas con un campo eléctrico para hacerlos fluorescentes. Sintonizando la frecuencia del láser para maximizar la fluorescencia, entonces se concentraría en la energía de transición exacta.

Así es como se ha medido la transición de 1S-2S en hidrógeno a cuatro partes en un quintillón, aproximadamente 1000 veces más precisa que el nuevo resultado de antihidrógeno.

Sin embargo, ese método no funcionará para el antihidrógeno porque los investigadores ALPHA típicamente atrapan alrededor de 40 átomos por prueba, muy pocos para producir fluorescencia detectable. Entonces ellos dependen de otro esquema.

Gracias a las peculiaridades de la teoría cuántica, para hacer que el 1S-2S salte, el antihidrógeno (o hidrógeno) tiene que absorber dos fotones con la mitad de la energía requerida para la transición 1S-2S. Cuando se excita, un átomo puede absorber un tercer fotón, que elimina por completo su positrón. El antiprotón luego flota fuera de la trampa y hacia un conjunto de detectores de partículas circundantes, en el cual es aniquilado y produce un estallido subatómico. Al contar los antiprotones que escaparon, los investigadores calcularon cuántos átomos eran excitantes.

El año pasado, los investigadores de ALPHA informaron su primera observación de la transición 1S-2S en antihidrógeno. Ahora, han demostrado que coincide con el hidrógeno en dos partes en un billón. La forma precisa de la línea de absorción también coincide con la que se ve en el hidrógeno, como informan hoy los investigadores en Nature. "Hemos hecho la espectroscopía láser en antihidrógeno", dice Hangst. "Esta ha sido una meta para toda la vida".

El experimento viola la relatividad de los limites posibles

El experimento parece ajustar los límites a las posibles violaciones de la relatividad en un factor de 10 a 100, dice Alan Kostelecky, teórico de la Universidad de Indiana en Bloomington. "Sin duda es un resultado espectacular", dice. Sin embargo, dentro del modelo estándar, una violación de la relatividad podría manifestarse de muchas maneras, y algunas ya están más estrechamente limitadas por otros tipos de experimentos, dice Kostelecky.

Hangst dice que el equipo ALPHA puede ir más allá y hacer su medición de la transición 1S-2S tan precisa como la que actualmente se logra en el hidrógeno. "No será el próximo año, pero tampoco serán 10 años", dice. En cuanto a si el antihidrógeno realmente será diferente al hidrógeno, la mayoría de los físicos probablemente lo consideren una posibilidad remota. Pero aún vale la pena probarlo, Ulmer dice: "La única forma de aprender es buscar [la nueva física] donde nunca antes lo habíamos visto". En una de las comparaciones más simples, Hangst y sus colegas quisieran ver si los átomos de antihidrógeno "caen" hacia arriba bajo la gravedad de la Tierra, no lo apuesten, una prueba que Hangst dice que podrían hacer este año.

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