Antihidrógeno

El antihidrógeno  es un análogo del hidrógeno , que consiste en antimateria . Mientras que un átomo de hidrógeno ordinario se compone de un electrón y un protón , un átomo de antihidrógeno se compone de un positrón y un antiprotón . Los científicos esperan que el estudio del antihidrógeno ayude a arrojar luz sobre por qué hay más materia que antimateria en el universo observable , lo que se conoce como el problema de la asimetría bariónica [1] . El antihidrógeno se produce artificialmente en aceleradores de partículas .

Historia experimental

Los átomos de antihidrógeno de alta energía se descubrieron por primera vez en los aceleradores en la década de 1990. La colaboración ATHENA estudió el antihidrógeno frío en 2002. La captura de átomos de antihidrógeno fue demostrada por primera vez por el grupo de Aparatos de Física de Láser Antihidrógeno ( ALFA ) en el CERN [2] [3] en 2010, que luego midió la estructura y otras propiedades importantes [4] . ALPHA, AEGIS y GBAR planean continuar enfriando y estudiando átomos de antihidrógeno.

Medición de transiciones 1S-2S

En 2016, el experimento ALPHA midió la transición electrónica entre los dos niveles de energía más bajos de antihidrógeno, 1S-2S. Los resultados fueron idénticos a las medidas de hidrógeno dentro de la resolución del experimento, lo que confirma la idea de simetría materia-antimateria y CPT [5] .

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 sujeto a un campo magnético en un volumen confinado como:

fdd = 2466061103064 (2) kHz fcc = 2466061707104 (2) kHz

La transición de un solo fotón entre estados S está prohibida por las reglas de selección cuántica , por lo tanto, para transferir positrones del estado fundamental al estado 2S, se iluminó un espacio limitado con un láser sintonizado a la mitad de la frecuencia de transición calculada, estimulando el permitió la absorción de dos fotones .

Los átomos de antihidrógeno excitados al estado 2S son inestables y luego pueden pasar de varias formas a otros estados:

Tanto la ionización como el cambio de espín hacen que el átomo escape de la trampa. El equipo calculó que, asumiendo que el antihidrógeno se comporta como el hidrógeno ordinario, 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 la frecuencia de cruce, la pérdida calculada fue esencialmente la misma que para el caso sin láser.

El equipo de ALPHA creó grumos de antihidrógeno, los mantuvo durante 600 segundos y luego redujo el campo de confinamiento durante 1,5 segundos, contando cuántos átomos de antihidrógeno aniquilaron. Hicieron esto bajo tres condiciones experimentales diferentes:

Se necesitaban dos controles, fuera de resonancia y sin láser, para garantizar que la radiación láser en sí misma no causara la aniquilación, tal vez liberando átomos normales de la superficie del recipiente de confinamiento, que luego podrían combinarse con el antihidrógeno.

El equipo realizó 11 lanzamientos en tres ocasiones y no encontró diferencias significativas entre los lanzamientos sin resonancia y sin láser, pero sí una reducción del 58 % en la cantidad de eventos detectados después de que había pasado la resonancia. También pudieron contar los eventos de aniquilación durante las sesiones y encontraron niveles más altos durante los lanzamientos resonantes, nuevamente sin diferencias significativas entre los lanzamientos no resonantes y sin láser. Los resultados concuerdan con las predicciones basadas en hidrógeno normal y pueden "interpretarse como una prueba de simetría CPT dentro de 200 ppt " [6] .

Características

El teorema CPT en física de partículas predice que los átomos de antihidrógeno tienen muchas de las características del hidrógeno ordinario; es decir, tienen la misma masa , momento magnético y frecuencias de transición entre estados atómicos (ver Espectroscopía atómica ) [7] . Por ejemplo, se espera que los átomos de antihidrógeno excitados emitan luz de la misma frecuencia 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 los átomos de hidrógeno ordinarios [2] . Esto no debería ser válido si la antimateria tiene una masa gravitacional negativa , lo que se considera extremadamente improbable, aunque aún no se ha refutado empíricamente (ver Interacción gravitatoria de la antimateria ). Sin embargo, se ha desarrollado un modelo teórico para masa negativa y gravedad repulsiva (antigravedad) entre materia y antimateria, y esta teoría es compatible con el teorema CPT [8] .

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

Como antielemento, se espera que tenga las mismas propiedades que el hidrógeno [9] . Por ejemplo, el antihidrógeno será un gas en condiciones estándar y se combinará con el antioxígeno para formar antiagua .

Producción

Los primeros átomos de antihidrógeno fueron generados en 1995 por un equipo dirigido por Walter Ohlert en el CERN [10] utilizando un método iniciado por Charles Munger, Jr. , Stanley Brodsky e Ivan Schmidt Andrade [11] .

En el acelerador de anillo LEAR , los antiprotones del acelerador golpean los grupos de xenón [12] , creando pares de electrones y positrones. Los antiprotones pueden capturar positrones con una probabilidad de alrededor de 10 -19 , por lo tanto, según los cálculos, este método no es adecuado para un rendimiento significativo [13] [14] [15] . Fermilab midió una sección transversal ligeramente diferente [16] que es consistente con las predicciones de la electrodinámica cuántica [17] . Ambos métodos condujeron a la aparición de antiátomos calientes (de alta energía), inadecuados para un estudio detallado.

Posteriormente, el CERN creó un moderador de antiprotones (AD) para respaldar los esfuerzos para crear antihidrógeno de baja energía para probar simetrías fundamentales. AD suministrará antihidrógeno a varios grupos en el CERN. El CERN espera que sus instalaciones sean capaces de producir 10 millones de antiprotones por minuto [18] .

Antihidrógeno de baja energía

Los experimentos llevados a cabo por las colaboraciones ATRAP y ATHENA en el CERN lograron combinar positrones y antiprotones en las trampas de Penning , lo que resultó en una fusión a una velocidad típica de 100 átomos de antihidrógeno por segundo. El antihidrógeno se produjo por primera vez en 2002, primero por la colaboración ATHENA [19] y luego ATRAP [20] , y en 2004 se habían producido millones de átomos de antihidrógeno. Los átomos sintetizados tenían una temperatura relativamente alta (varios miles de Kelvin ) y, como resultado, chocaron contra las paredes del montaje experimental y se aniquilaron. La mayoría de las pruebas de precisión requieren un seguimiento a largo plazo.

ALPHA, el sucesor de la colaboración ATHENA, fue diseñado para capturar antihidrógeno de manera estable [18] . Al ser eléctricamente neutro, sus momentos magnéticos de espín interactúan con un campo magnético no homogéneo; algunos átomos serán atraídos por el mínimo magnético creado por la combinación de los campos espejo y multipolar [21] .

En noviembre de 2010, la colaboración ALPHA anunció que había atrapado 38 átomos de antihidrógeno en un sexto de segundo [22] , marcando el primer éxito en el confinamiento de antimateria neutra. En junio de 2011, capturaron 309 átomos de antihidrógeno, hasta 3 a la vez, durante un máximo de 1000 segundos [23] . Luego estudiaron su estructura hiperfina, los efectos gravitacionales y la carga. ALPHA continuará con las mediciones junto con los experimentos ATRAP, AEGIS y GBAR.

Átomos de antimateria más grandes

Los átomos de antimateria más grandes, como el antideuterio ( D ), el antitritio ( T ), el antihelio-3 ( 3He ) y el antihelio-4 ( 4He ) , son mucho más difíciles de producir. Antideuterio [24] [25] , antihelio-3 ( 3 He ) [26] [27] y antihelio-4 ( 4 He ), otros núcleos [28] se crean a velocidades tan altas que la fusión de sus átomos correspondientes crea varios obstáculos técnicos.

Notas

Comentarios

Fuentes

  1. ↑ BBC News - Los átomos de antimateria están acorralados aún más tiempo . Archivado el 4 de septiembre de 2017 en Wayback Machine . BBC.co.uk. Recuperado el 08-06-2011.
  2. ↑ 1 2 Reich, Eugenia Samuel (2010). "Antimateria retenida para ser interrogada". naturaleza _ 468 (7322): 355. Bibcode : 2010Natur.468..355R . DOI : 10.1038/468355a . IDPM  21085144 .
  3. ↑ eiroforum.org - CERN: antimateria en la trampa Archivado desde el original el 3 de febrero de 2014. Diciembre de 2011, consultado el 8 de junio de 2012
  4. ↑ Estructura interna de Antihydrogen sondeada por primera vez . Mundo de la física (7 de marzo de 2012). Consultado el 3 de julio de 2021. Archivado desde el original el 30 de julio de 2017.
  5. ↑ Castelvecchi, Davide (19 de diciembre de 2016). "Átomos efímeros de antimateria fijados en una prueba de láser hito" . naturaleza _ DOI : 10.1038/naturaleza.2016.21193 . Archivado desde el original el 2016-12-20 . Consultado el 20 de diciembre de 2016 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
  6. ↑ Ahmadi, M (19 de diciembre de 2016). "Observación de la transición 1S-2S en antihidrógeno atrapado" (PDF) . naturaleza _ 541 (7638): 506-510. Código Bib : 2017Natur.541..506A . DOI : 10.1038/naturaleza21040 . PMID28005057  . _ Archivado (PDF) desde el original el 19 de abril de 2017 . Consultado el 03-07-2021 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
  7. ↑ Grossman, Lisa (2 de julio de 2010). "Los antiprotones más geniales" . Enfoque de revisión física . 26 (1). Archivado desde el original el 4 de julio de 2010 . Consultado el 03-07-2021 . Parámetro obsoleto utilizado |deadlink=( ayuda )
  8. ↑ Du. Aplicación de la Nueva Ecuación de Onda Cuántica Relativista en el Átomo de Hidrógeno y sus Implicaciones en los Experimentos Gravitacionales de Antimateria . Consultado el 3 de julio de 2021. Archivado desde el original el 26 de abril de 2021.
  9. ↑ Palmer. El antihidrógeno se somete a su primera medición (14 de marzo de 2012). Consultado el 3 de julio de 2021. Archivado desde el original el 7 de octubre de 2019.
  10. ↑ Hombre libre . Antiátomos: aquí hoy. . . , Revista Discover  (enero de 1997). Archivado desde el original el 21 de julio de 2019. Consultado el 3 de julio de 2021.
  11. ↑ Munger, Charles T. (1994). “Producción de átomos de antihidrógeno relativistas por producción de pares con captura de positrones”. Examen físico D. 49 : 3228-3235. Código Bib : 1994PhRvD..49.3228M . DOI : 10.1103/physrevd.49.3228 . PMID  10017318 .
  12. ↑ Baur G. et al. Producción de antihidrógeno  (inglés)  // Physics Letters B . - 1996. - vol. 368 , edición. 3 . - pág. 251-258 . - doi : 10.1016/0370-2693(96)00005-6 . - .
  13. ↑ Bertulani CA, Baur G. Producción de pares con captura de capa atómica en colisiones de iones pesados ​​relativistas   // Braz . J. Phys. - 1988. - vol. 18 , núm. 4 . - Pág. 559-573 .
  14. ↑ Bertulani CA, Baur G. Procesos electromagnéticos en colisiones relativistas de iones pesados  ​​//  Physics Reports. - 1988. - vol. 163 , edición. 5–6 . — pág. 299-408 . - doi : 10.1016/0370-1573(88)90142-1 . - .
  15. ↑ Aste A. et al. Producción de Par Electromagnético con Captura  (Inglés)  // Revisión Física A. - 1993. - Vol. 50 , edición. 5 . - Pág. 3980-3983 . -doi : 10.1103 / PhysRevA.50.3980 . - . —PMID 9911369 .
  16. ↑ Blanford G. et al. Observación del antihidrógeno atómico  (inglés)  // Cartas de revisión física. - 1997. - vol. 80 , edición. 14 _ - Pág. 3037-3040 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.80.3037 . - .
  17. ↑ Bertulani CA, Baur G. Producción de antihidrógeno y precisión de la aproximación de fotones equivalentes  //  Physical Review D. - 1998. - vol. 58 , edición. 3 . — Pág. 034005 . -doi : 10.1103 / PhysRevD.58.034005 . - . -arXiv : hep - ph/9711273 .
  18. ↑ 1 2 Madsen N. Antihidrógeno frío: una nueva frontera en la física fundamental  //  Philosophical Transactions of the Royal Society A. - 2010. - vol. 368 , edición. 1924 _ - Pág. 3671-3682 . doi : 10.1098 / rsta.2010.0026 . - . —PMID 20603376 .
  19. ↑ Amoretti M. et al. =Producción y detección de átomos fríos de antihidrógeno   // Naturaleza . - 2002. - vol. 419 , edición. 6906 . - P. 456-459 . -doi : 10.1038/ naturaleza01096 . — . —PMID 12368849 .
  20. ↑ Gabrielse G. et al. Producción impulsada de antihidrógeno frío y la primera distribución medida de estados de antihidrógeno   // Phys . Rvdo. Lett.. - 2002. - Vol. 89 , edición. 23 . — Pág. 233401 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.89.233401 . - . —PMID 12485006 .
  21. ↑ Pritchard DE Enfriamiento de átomos neutros en una trampa magnética para espectroscopia de precisión  //  Cartas de revisión física. - 1983. - vol. 51 , edición. 15 _ - P. 1336-1339 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.51.1336 . - .
  22. ↑ Andresen GB et al. ( Colaboración ALFA ) (2010). Antihidrógeno atrapado. naturaleza _ 468 (7324): 673-676. Código Bib : 2010Natur.468..673A . DOI : 10.1038/naturaleza09610 . PMID21085118  . _
  23. ↑ Andresen GB et al. ( Colaboración ALFA ) (2011). “Confinamiento de antihidrógeno durante 1.000 segundos”. Física de la naturaleza . 7 (7): 558-564. arXiv : 1104.4982 . Código Bib : 2011NatPh...7..558A . DOI : 10.1038/nphys2025 .
  24. ↑ Massam T. et al. Observación experimental de la producción de antideuterón  (inglés)  // Il Nuovo Cimento. - 1965. - Vol. 39 , edición. 1 . — págs. 10–14 . -doi : 10.1007/ BF02814251 . - .
  25. ↑ Dorfan D. E. et al. Observación de Antideuterons  (inglés)  // Phys. Rvdo. Lett.. - 1965. - vol. 14 , edición. 24 . - Pág. 1003-1006 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.14.1003 . - .
  26. ↑ Antipov Yu. M. et al. Observación de antihelio-3 // Física nuclear . - 1970. - T. 12 . - art. 311 .
  27. ↑ ArsenescuR.; et al. (2003). “Producción de antihelio-3 en colisiones plomo-plomo a 158 A GeV/ s ”. Nueva Revista de Física . 5 (1). Código Bib : 2003NJPh....5....1A . DOI : 10.1088/1367-2630/5/1/301 .
  28. ↑ Agakishiev H.; et al. (2011). “Observación del núcleo de antimateria helio-4”. naturaleza _ 473 (7347): 353-6. arXiv : 1103.3312 . Código Bib : 2011Natur.473..353S . DOI : 10.1038/naturaleza10079 . PMID  21516103 .

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