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| Alta precisión: el experimento BASE del CERN ha puesto límites estrictos a algunas propiedades del antiprotón. (Cortesía: Maximilien Brice/CERN/CC-BY-4.0) |
El Modelo Estándar de la física de partículas es a la vez increíblemente exitoso y manifiestamente incompleto. Entre las cuestiones que quedan abiertas está el sorprendente desequilibrio de materia y antimateria en el Universo, que inspira experimentos para comparar las propiedades fundamentales de los conjugados materia/antimateria con gran precisión. Los nuevos experimentos de la colaboración BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) del CERN se ocupan de investigar directamente las propiedades fundamentales de los protones y los antiprotones.
Según el Modelo Estándar, las partículas de materia y antimateria pueden diferir, por ejemplo, en la forma en que se transforman en otras partículas, pero la mayoría de sus propiedades, incluidas sus masas, deberían ser idénticas.
Encontrar cualquier pequeña diferencia entre las masas de protones y antiprotones, o entre las relaciones de su carga eléctrica y su masa, rompería una simetría fundamental del Modelo Estándar, llamada simetría CPT, y apuntaría a nuevos fenómenos físicos más allá del Modelo.
Esta diferencia también podría arrojar luz sobre por qué el Universo está compuesto casi en su totalidad por materia, a pesar de que en el Big Bang deberían haberse creado cantidades iguales de antimateria.
Las diferencias entre las partículas de materia y antimateria que son consistentes con el Modelo Estándar son menores en órdenes de magnitud para poder explicar este desequilibrio cósmico observado.
Para realizar sus mediciones de protones y antiprotones, los físicos de la Colaboración BASE confinaron antiprotones e iones de hidrógeno cargados negativamente, que son sustitutos de protones, en una trampa de partículas de última generación llamada trampa Penning.
En este dispositivo, una partícula sigue una trayectoria cíclica con una frecuencia, cercana a la del ciclotrón, que escala con la intensidad del campo magnético de la trampa y la relación carga-masa de la partícula.
Introduciendo alternativamente antiprotones e iones de hidrógeno cargados negativamente en la trampa, los investigadores midieron, en las mismas condiciones, las frecuencias de ciclotrón de estos dos tipos de partículas, lo que permitió comparar sus relaciones carga-masa.
Realizadas a lo largo de cuatro campañas entre diciembre de 2017 y mayo de 2019, estas mediciones dieron como resultado más de 24.000 comparaciones de frecuencias de ciclotrón, cada una de las cuales duró 260 segundos, entre las relaciones carga-masa de los antiprotones y los iones de hidrógeno con carga negativa.
A partir de estas comparaciones, y tras tener en cuenta la diferencia entre un protón y un ion de hidrógeno con carga negativa, el equipo de BASE descubrió que las relaciones carga-masa de protones y antiprotones son iguales con una diferencia de 16 partes por trillón.
"Este resultado es cuatro veces más preciso que la mejor comparación anterior entre estas relaciones, y la relación carga-masa es ahora la propiedad del antiprotón que se ha medido con mayor precisión", dijo el Dr. Stefan Ulmer, portavoz de la Colaboración BASE.
"Para alcanzar esta precisión, realizamos considerables mejoras en el experimento y llevamos a cabo las mediciones cuando la fábrica de antimateria estaba cerrada, utilizando nuestra reserva de antiprotones, que puede almacenar antiprotones durante años".
Además de comparar protones y antiprotones con una precisión sin precedentes, los científicos utilizaron sus mediciones para poner límites estrictos a los modelos más allá del Modelo Estándar que violan la simetría CPT, así como para poner a prueba una ley física fundamental conocida como el principio de equivalencia débil.
Según este principio, cuerpos diferentes en el mismo campo gravitatorio experimentan la misma aceleración en ausencia de fuerzas de fricción.
Dado que el experimento BASE está situado en la superficie de la Tierra, sus mediciones de frecuencia de ciclotrón de protones y antiprotones se realizaron en el campo gravitatorio de la superficie terrestre.
Cualquier diferencia entre la interacción gravitacional de los protones y los antiprotones daría lugar a una diferencia entre las frecuencias del ciclotrón de protones y antiprotones.
Tomando muestras del campo gravitatorio variable de la Tierra a medida que el planeta orbita alrededor del Sol, el equipo de BASE no encontró tal diferencia y estableció un valor máximo en esta medición diferencial de tres partes en 100.
"Este límite es comparable a los objetivos iniciales de precisión de los experimentos que pretenden dejar caer antihidrógeno en el campo gravitatorio de la Tierra", dijo el Dr. Ulmer.
"BASE no dejó caer directamente antimateria en el campo gravitatorio de la Tierra, pero nuestra medición de la influencia de la gravedad sobre una partícula de antimateria bariónica es conceptualmente muy similar, lo que indica que no hay una interacción anómala entre la antimateria y la gravedad en el nivel de incertidumbre alcanzado."
Fuentes, créditos y referencias:
M.J. Borchert et al. 2022. A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge-mass ratio. Nature 601, 53-57; doi: 10.1038/s41586-021-04203-w
Créditos a SciNews