Física - Medir la constante gravitatoria con antimateria

Medir la constante gravitatoria con antimateria

Ésta podría no ser la manera más intuitiva de medir g, la constante de aceleración de gravitatoria. Sin embargo, es lo que está tratando de conseguir un equipo de alrededor de 50 científicos de la colaboración AEgiS (Experimento de antihidrógeno – Gravedad, Interferometría y Espectroscopia). Pronto podría ser aún más fácil, gracias a un proyecto aprobado recientemente para la construcción de ELENA, un nuevo desacelerador de antiprotones.

La antimateria no es nueva en el CERN. Estrictamente hablando, hemos estado produciendo partículas y antipartículas desde hace décadas. Pero la producción de átomos completos es otra historia. Lo que es mucho más reciente, es un pequeño grupo de unos treinta físicos del experimento ALPHA que lograron producir átomos de anti-hidrógeno y mantenerlos durante unos 1000 segundos.

Equilibrio de materia y antimateria Crédito: Sandbox Studios

El hidrógeno es el átomo más simple. Está hecho de un protón y un electrón. Los átomos de anti-hidrógeno son idénticos a los átomos de hidrógeno, excepto que tienen un positrón (el antielectrón) orbitando alrededor de un antiprotón. En la antimateria, las propiedades de las antipartículas, tales como su masa, son idénticas a su partícula homóloga, excepto que algunas otras cargas, como la eléctrica, están invertidas. Incluso las partículas eléctricamente neutras tienen su antipartícula. Un antineutrón está hecho de tres antiquarks (un anti-quark u de carga -2/3 y dos anti–quarks d cada uno con carga +1/3), mientras que el neutrón está hecho de tres quarks u, d y  d.

La producción de antiprotones es un juego de niños cuando se tienen aceleradores como los que hay en el CERN. Acelera los protones, envíalos sobre un objetivo y aparecerán un montón de partículas, incluyendo antiprotones. Estos se canalizan en un haz lineal y se dirigen hacia la instalación Desaceleradora de Antiprotones. Dicha instalación es simplemente un gran “anillo” rectangular  donde los antiprotones se desaceleran, usando cavidades de radiofrecuencia y nubes de electrones que ralentizan los antiprotones a través de pequeñas colisiones sucesivas. De esta manera, los antiprotones ven su energía reducida en un factor de 35 entre su llegada al desacelerador y su envío a los experimentos dos minutos más tarde, pasando de 3,5 GeV a alrededor de 100 MeV. En este punto, cinco equipos diferentes, ACE,  EGIS, ALPHA (el sucesor de ATHENA), ASACUSA y ATRAP extraen los antiprotones para llevar a cabo varios experimentos.

El experimento ACE estudió antiprotones para ver si podrían utilizarse para el tratamiento del cáncer. El objetivo sería dirigirlos hacia el núcleo de las células cancerosas, donde los antiprotones se aniquilarían al encontrarse con los protones de estas células. La energía liberada mataría, a su vez, a las células cancerosas cercanas. La esperanza es proporcionar un tratamiento que causara menos daño al tejido sano que las actuales técnicas de terapia contra el cáncer.

Los otros cuatro experimentos crean antihidrógeno. Para esto necesitan positrones, que crean a partir de su propia fuente radiactiva, el sodio 22.

La parte difícil es organizar estos dos ingredientes para que se encuentren y unan en anti-átomos. El quid de la cuestión aquí es desacelerarlos lo suficiente como para permitir que el antiprotón capture un positrón. Hasta ahora, se han usado distintas técnicas. Los equipos japoneses de ASACUSA usan campos eléctricos; otros usan finas láminas de aluminio para desacelerar más el antiprotón, pero a un alto coste: se pierden muchos en el proceso.

Aquí es donde ELENA pronto nos llevará a nueva era en la producción de antimateria en el CERN. Recientemente aprobada, esta nueva instalación, que estará operativa en 2015, permitirá desacelerar antiprotones aún más, otro factor de 1000, dejándolos en apenas 100 keV y en un número mucho mayor: dos ingredientes clave para el éxito.

Todo esto debe suceder en un vacío puro para evitar las interacciones con la materia común. De otro modo, tan pronto como se encuentren materia y antimateria, se aniquilarían, dejando tras de sí sólo energía pura. Se usan campos magnéticos o eléctricos en varios lugares de las configuraciones experimentales para confinar la antimateria y mantenerla alejada de cualquier superficie.

¿Y qué se puede hacer con la antimateria, una vez que logra producir algo? Básicamente, se reproducen todas las medidas físicas realizadas durante el último siglo con átomos de hidrógeno. Un plan es estudiar su espectroscopia para ver si el anti-hidrógeno se comporta como el hidrógeno y emite las mismas líneas espectrales características.

Pero AEgiS tiene un programa aún más ambicioso. Tienen la esperanza no sólo de crear anti-hidrógeno, sino de dirigir un haz de anti-hidrógeno a una serie de ranuras para crear bordes por interferometría y medir por la cuánto se mueven estos bordes cuando los átomos de anti-hidrógeno caen bajo el efecto de la gravedad, mientras que pasan a través de una cámara de longitud conocida. El objetivo, por supuesto, es ver si la gravedad (o g) es la misma para la antimateria.

Esto me recuerda a la típica broma sobre la estudiante de física a la que se da un barómetro para medir la altura de un edificio. Su profesor espera que mida la diferencia de presión y, a partir de eso, deduzca la altura del edificio. Pero ella piensa que esto es tan tonto que, en vez de eso, sugiere que lo utilicen como un péndulo y medir su periodo, o dejarlo caer desde el techo y medir el tiempo que tarda en caer. Pero cada vez, el profesor rechaza sus sugerencias. Finalmente, propone llamar a la puerta del portero del edificio ¡y ofrecerle el barómetro como regalo, si le dice la altura del edificio!

Pero como dice Michael Doser, jefe del equipo de AEgiS: “No se permite llamar a la puerta de la naturaleza para pedir la respuesta …”

Fuente: Ciencia Kanija - Quantum Diaries