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Artículo publicado el 18 de agosto de 2015 en el Instituto Max Planck

Los experimentos más precisos jamás realizados para comparar la masa del protón y el antiprotón revelan que no hay diferencias entre las partículas.

La existencia de nuestro mundo es de todo menos evidente. El Big Bang creó materia y antimateria en la misma medida. Por qué sólo la materia, que forma los cuerpos celestes del universo, finalmente fue la que permaneció es el foco de un proyecto de cooperación germano-japonés llamado BASE, que incluye a investigadores del Instituto Max Planck para Física Nuclear en Heidelberg y otras instituciones. En sus experimentos en el CERN, en Suiza, los científicos han determinado que las masas del protón y el antiprotón son idénticas hasta la undécima posición decimal. En el proceso, han fijado un nuevo récord para la medida de la simetría entre materia y antimateria. Basándose en los últimos hallazgos, los investigadores de BASE están ahora hurgando en las razones de este superávit de materia en el universo, comparando los momentos magnéticos de protones y antiprotones.

Trampa de Penning

Trampa de Penning usada en BASE Crédito: Georg Schneider, Base-Collaboration

Los físicos de partículas son perfectamente conscientes de que su visión del mundo aún es imperfecta. No obstante, actualmente son incapaces de solventar los problemas. Aunque el Modelo Estándar de la física de partículas puede explicar la existencia de todas las partículas elementales conocidas, y muchas de sus interacciones, algunas observaciones simplemente no encajan con la teorías. Por ejemplo, el Modelo Estándar no explica la asimetría entre la materia y la antimateria: aunque ambas se crearon en cantidades iguales al inicio del universo, posteriormente se aniquilaron entre sí en su mayor parte, un fenómeno que ocurre siempre que la materia se encuentra con la antimateria. Aun así, hay una abundancia de materia en el universo.

Por tanto, los físicos quieren apuntalar el edificio teórico del Modelo Estándar, o incluso reformularlo para corregir sus deficiencias. Para ello, están buscando pruebas experimentales detalladas de los puntos débiles, por ejemplo, las diferencias entre materia y antimateria. Éste es el propósito del proyecto BASE, abreviatura de Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (Experimento de Simetría entre Bariones y Antibariones). Los bariones y los antibariones son partículas subatómicas que, al igual que los protones y los antiprotones, constan de tres partículas elementales, a saber, quarks y antiquarks.

Una mejora de cuatro veces en la precisión

En su búsqueda de diferencias infinitesimales entre materia y antimateria, los investigadores de BASE midieron la proporción de carga a masa del protón y el antiprotón. Básicamente pesaron las dos partículas. Al hacer esto, compararon materia y antimateria en el sistema con una precisión cuatro veces mayor de lo que antes era posible. “Hemos encontrado que la proporción de carga a masa es idéntica en una parte en 69 billones”, señala Stefan Ulmer, científico en el CERN y portavoz del proyecto BASE.

Los resultados confirman las teorías que afirman que no existe diferencia de masa entre la materia y la antimateria. De haber encontrado los investigadores una diferencia en la masa, habría puesto en cuestión el Modelo Estándar, además de arrojar dudas sobre teorías incluso más fundamentales de la física de partículas. “Pero la naturaleza siempre es buena dando sorpresas”, comenta Klaus Blaum, Director del Instituto Max Planck para Física Nuclear en Heidelberg y uno de los colaboradores de BASE . Por tanto, tenemos que aprovechar cada posibilidad de contrastar los modelos tan precisamente como sea posible”.

Para pesar el protón y el antiprotón a un nivel de precisión tan alto, los investigadores utilizaron un inteligente método: capturaron las partículas cargadas en una trampa de Penning, en la cual las partículas quedan confinadas mediante campos eléctricos y magnéticos. El campo magnético obliga a las partículas a rotar alrededor de 30 millones de veces por segundo. Por comparar: los columpios de feria tardan de 5 a 10 segundos en completar una rotación. Si rotase a mayor velocidad, los pasajeros pronto se pondrían enfermos.

La frecuencia rotacional revela la proporción de carga a masa

A pesar de la velocidad de las partículas cargadas en la trampa de Penning, los investigadores fueron capaces de determinar el número de rotaciones con gran precisión. Dado que la frecuencia de rotación depende de la proporción de carga a masa de las partículas, éste es un método extremadamente preciso para determinar dicha proporción.

Sin embargo, hubo una complicación en los experimentos del proyecto BASE que no habían previsto. “Es muy complejo fijar el voltaje con una precisión de 11 posiciones decimales”, explica Klaus Blaum. A pesar de esto, los investigadores debían lograrlo para catapultar protones y neutrones a la trampa de Penning. Luego tenían que producir el campo eléctrico en la trampa con un voltaje negativo para capturar los protones cargados positivamente. A la inversa, debían usar un voltaje positivo, muy similar al voltaje negativo anteriormente usado, para recopilar los antiprotones cargados negativamente.

Dado que es casi imposible generar campos eléctricos de la misma fuerza, o al menos con una fuerza de precisión conocida, para ambas partículas los físicos lo solventaron con un ingenioso truco. Midieron el protón y el antiprotón en un experimento usando un único campo eléctrico. Primero, unieron dos electrones a un protón, convirtiéndolo de este modo en un ión de hidrógeno negativamente cargado. De este modo fue posible usar un voltaje positivo para contener tanto los protones como los antiprotones.

Protones y antiprotones pueden diferir en su momento magnético

“Sería incluso mejor si pudiésemos medir el propio protón”, dice Klaus Blaum. Por fortuna, sin embargo, la masa del electrón y su energía de enlace se conocen con gran precisión, por lo que el valor del protón y de su masa puede determinarse fácilmente a partir de la proporción de carga a masa del ión de hidrógeno. “De este modo, hemos llevado a cabo la medida más precisa del mundo en la comparación de protón y antiprotón”.

Con sus experimentos, los investigadores han llegado a un nuevo nivel en la comparación de materia y antimateria. “La investigación sobre las partículas de antimateria ha dado pasos de gigante en los últimos años”, señala Rolf Heuer, Director General del CERN. “Estoy impresionado por el grado de precisión que ha logrado BASE”.

Los investigadores de BASE ahora quieren usar estas habilidades que han adquirido para continuar su investigación en busca de diferencias entre materia y antimateria. Medir los momentos magnéticos del protón y el antiprotón es un enfoque muy prometedor para buscar diferencias entre materia y antimateria, comenta Stefan Ulmer. Los investigadores ya han medido el momento magnético del protón. Ahora planean determinar el correspondiente valor para el antiprotón. “Hemos reanudado nuestras medidas”, apunta Stefan Ulmer. Los científicos esperan que este enfoque arroje más pruebas útiles para explicar por qué existe nuestro mundo.

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