14 abr. 2014

Interferometría atómica para medir la interacción gravitatoria de la antimateria

Una nueva técnica para medir cómo la antimateria es afectada por la gravedad ha sido propuesta por los investigadores. El equipo dice que su dispositivo (en base a refrigeración de átomos de antimateria, o anti-átomos), también podría ayudar a poner a prueba el principio de equivalencia de Einstein usando el antihidrógeno; algo que podría tener consecuencias de largo alcance para la cosmología. Encontrar incluso la más pequeña de las diferencias entre el comportamiento de la materia y la antimateria podría arrojar luz sobre por qué hay más materia que antimateria en el universo actual, así como ayudar a comprender mejor la naturaleza del universo oscuro.

¿La antimateria cae igual que la materia?

Los físicos se han preguntado durante mucho tiempo cómo la antimateria se ve afectada por la gravedad. Aunque la mayoría del trabajo teórico y experimental sugiere que la gravedad actúa exactamente de la misma manera en la antimateria como lo hace en la materia. El problema es que la antimateria es difícil de producir y estudiar, lo que significa que no hay mediciones experimentales directas acerca de su comportamiento bajo gravedad que se hayan hecho hasta la fecha. (Si hay gran cantidad de evidencia indirecta).

Sin embargo, el año pasado se produjo un gran paso hacia adelante en el tema cuando un equipo de investigadores del CERN (experimento ALPHA) midieron cuánto tardan los átomos de antihidrógeno en caída libre en llegar a los bordes de un detector.
El antihidrógeno está compuesto por un positrón que rodea a un antiprotón. El resultado del experimento ALPHA no mostró ninguna evidencia de que el antihidrógeno responda de manera diferente a la gravedad como lo hacen los átomos de hidrógeno. De esta manera, el equipo fue capaz de descartar la posibilidad de que la antimateria responda con mucha más fuerza a la gravedad que la materia.

Interferometría atómica para arrojar más luz sobre la cuestión

Para que un experimento sea concluyente se necesitan muchos resultados favorables. Y precisamente tales experimentos son difíciles de llevar a cabo en este caso en particular (o en general, en la mayoría de los casos de vanguardia). La antimateria es difícil de producir a gran escala y se aniquila al entrar en contacto con la materia normal, por lo que es complicado atraparla y retenerla de manera aislada. 

Miembros del equipo ALPHA. 
Some members of the Canadian group at ALPHA. Crédito: ALPHA.

Holger Müller y sus colegas de la Universidad de California en Berkeley, y la Universidad de Auburn en Alabama han propuesto una nueva técnica de interferometría que explota el hecho de que un haz de átomos de antimateria puede producir interferencia actuando como onda al pasar a través de dos caminos. La dualidad onda partícula, por supuesto, que vale para cualquier entidad “material” y aunque el efecto disminuye a medida que la masa de las partículas aumenta, es medible en los pequeños átomos de antihidrógeno. Los investigadores dicen que el interferómetro atómico de pulso de luz (como lo llaman), que se va a instalar en el experimento ALPHA, podría funcionar no sólo con casi cualquier tipo de átomo o anti-átomo, sino también con electrones y protones.
En el interferómetro propuesto, las ondas de la materia se dividen y recombinan usando pulsos de luz láser. Si un átomo interactúa con el rayo láser, recibirá un impulso o un cambio en la cantidad de movimiento cedido por los fotones del haz. Al sintonizar el láser con la energía justa para producir un pulso (entrar en fase), este proceso se puede hacer suceder con una probabilidad de 50% a lo largo de cualquiera de los dos brazos del interferómetro. Cuando los caminos se unen de nuevo, la probabilidad de detectar el anti-átomo depende de la amplitud de la onda de materia, la cual está en función del desplazamiento de fase.

¿Peligro de aniquilación?

Müller añade que el desplazamiento de fase depende de la aceleración debida a la gravedad (g), del impulso de los fotones (E/c, y por tanto la magnitud del momento lineal), y del intervalo de tiempo entre cada pulso del láser. Por lo tanto, midiendo el desplazamiento de fase (la interferencia) se puede medir g . Esto es así debido a que el impulso (el cambio en la cantidad de movimiento) y el intervalo de tiempo son ambos conocidos. La mayor ventaja de esta técnica es que los anti-átomos no estarán en peligro de aniquilación, porque nunca se acercarán a los objetos mecánicos. En todo momento estarán siendo trasladados con la luz y los campos magnéticos.

La idea de Müller es la combinación de dos tecnologías probadas

Un pulso de luz impulsando átomos para interferometría y un método de producción de antihidrógeno utilizando una técnica denominada Penning trap del ALPHA. Müller señala que el método propuesto por el equipo no asume la disponibilidad de un láser resonante con la transición Lyman-alfa en el hidrógeno, que puede ser muy difícil de construir. El equipo ha desarrollado lo que Müller describe como un "atom recycling method". Este método de reciclaje átomo permite a los investigadores trabajar con átomos individuales. "El átomo está encerrado dentro de campos magnéticos que impiden que vaya a desaparecer (perderse de vista, como quien dice). Así, un átomo que no se ha visto afectado por el láser en un primer intento tiene la oportunidad de recibir el impulso más tarde. De esta manera, se pueden utilizar casi todos los átomos, una hazaña importante con una tasa de producción de uno cada 15 minutos. Esto le permitiría al ALPHA medir la aceleración de la gravedad mediante átomos de anti-hidrógeno con una precisión de 1%. Luego se podría comparar el resultado con los valores conocidos o mediante la utilización de átomos de hidrógeno.

Precisión y exactitud

El equipo tiene previsto construir una configuración demo del experimento en Berkeley, que funcionará con hidrógeno regular, y espera conseguir financiación para el proyecto definitivo. Müller y sus colegas están ahora recibiendo colaboración por parte del APLHA. "El trabajo en el CERN se desarrollará en varias etapas", dice. "La primera es una medición arriba/abajo diciéndonos si la antimateria irá hacia arriba o hacia abajo", dice. Esto será seguido por una medición de precisión. El objetivo de Müller a largo plazo es llegar a una precisión de 10^-6 , lo que sería muy superior a la medición del ALPHA de 2013 que tiene una barra de error de 10^-2 . ALPHA puede actualmente atrapar y retener anti-átomos a razón de cuatro cada hora, pero gracias a las mejoras recientes en su fuente de antiprotones se podrían producir teóricamente casi 3 mil átomos por mes. 
Aunque Müller acepta que el comportamiento gravitatorio de la antimateria puede ser estudiado a partir de experimentos con la materia normal, la observación directa es esencial, y eso es lo que Müller, con la colaboración de ALPHA y el resto de los equipos del CERN, están dispuestos a lograr en un futuro próximo. "No hay sustituto en la ciencia de la observación directa", concluye.

Por Mariano Miguel Lanzi

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