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| Bakeed, CC0, via Wikimedia Commons |
Científicos de la colaboración BASE, dirigida por científicos de RIKEN, han desarrollado un nuevo método de enfriamiento que permitirá medir más fácilmente una propiedad de los protones y antiprotones llamada momento magnético. Esta es una de las propiedades que se están investigando para resolver el misterio de por qué nuestro universo contiene materia pero casi no antimateria.
Según el modelo estándar, nuestro universo debería tener cantidades iguales de materia y antimateria, pero en realidad no es así. Para averiguar por qué, científicos de todo el mundo intentan descubrir pequeñas diferencias entre ambas que podrían resolver el misterio. Una vía prometedora es explorar si existen diferencias en el momento magnético del protón y el antiprotón, y el experimento BASE, con sede en el CERN, está tratando de determinarlo. Utilizando un sofisticado dispositivo -una trampa Penning capaz de capturar y detectar una sola partícula-, el equipo de BASE pudo mejorar en el pasado la precisión de las mediciones del momento magnético del protón y del antiprotón en un factor de treinta y en más de tres órdenes de magnitud, respectivamente, lo que permitió comprobar la simetría materia/antimateria a un nivel de 1,5 partes en mil millones, descubriendo esencialmente que los imanes del protón y del antiprotón son similares con nueve cifras significativas.
Una de las dificultades -entre otras muchas- para llevar a cabo este tipo de experimentos es que, para medir los momentos magnéticos con precisión, las partículas deben mantenerse a temperaturas cercanas al cero absoluto, -273,15 °C. En experimentos anteriores, las temperaturas frías se preparaban utilizando una técnica conocida como "enfriamiento resistivo selectivo", que lleva mucho tiempo y, según los investigadores, "es similar a lanzar un dado con 100 caras, intentando sacar un 1".
Para el experimento actual, publicado en Nature, la colaboración BASE informó de la primera demostración de "enfriamiento simpático" de un solo protón mediante el acoplamiento de la partícula a una nube de iones 9Be+ enfriados por láser. El enfriamiento simpático implica el uso de láseres u otros dispositivos para enfriar un tipo de partícula, y luego utilizar esas partículas para transferir el calor de la partícula que se desea enfriar. Con esta técnica, el grupo ha enfriado simultáneamente un modo resonante de un circuito superconductor macroscópico sintonizado con iones enfriados por láser, y también ha logrado el enfriamiento simpático de un solo protón atrapado, alcanzando temperaturas cercanas al cero absoluto.
La técnica descrita en el reciente artículo es un primer paso importante hacia una reducción considerable de las caras del dado-manifiesto, con la visión de reducir idealmente la superficie a una sola. "Estamos informando de un primer paso importante, y el desarrollo ulterior de este método conducirá en última instancia a un experimento ideal de spin-flip, en el que se preparará un único protón a baja temperatura en tan sólo unos segundos. Esto nos permitirá determinar el estado de espín de la partícula en una sola medición que dura aproximadamente un minuto", afirma Christian Smorra, uno de los científicos que dirigen el estudio. "Esto es considerablemente más rápido que nuestras anteriores mediciones del momento magnético, y mejorará tanto las estadísticas de muestreo como la resolución de nuestros estudios sistemáticos", añade Matthew Bohman, estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg y primer autor del estudio.
"Además, el logro comunicado tiene aplicaciones no solo en las mediciones del momento magnético del protón/antiprotón. Añade una nueva tecnología general a la caja de herramientas de la física de precisión de las trampas de Penning, y también tiene aplicaciones potenciales en otras mediciones del momento magnético nuclear, comparaciones ultraprecisas de las relaciones carga-masa en las trampas de Penning, o incluso en la mejora de la producción de antihidrógeno", añade Stefan Ulmer, portavoz de la colaboración BASE y científico jefe del Laboratorio de Simetrías Fundamentales de RIKEN.
La colaboración BASE lleva a cabo tres experimentos, uno en la fábrica de antimateria del CERN, otro en la Universidad de Hannover y otro en la Universidad de Maguncia, el laboratorio en el que se ha aplicado el nuevo método. El estudio presentado es el resultado de la colaboración conjunta entre RIKEN, la Sociedad Max Planck alemana, las universidades de Maguncia, Hannover y Tokio, el instituto alemán de metrología PTB, el CERN y el GSI de Darmstadt. El trabajo ha contado con el apoyo del centro Max Planck, RIKEN y PTB para el tiempo, las constantes y las simetrías fundamentales.
Fuentes, créditos y referencias:
Sympathetic cooling of a trapped proton mediated by an LC circuit, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03784-w , www.nature.com/articles/s41586-021-03784-w