Sesenta años después del descubrimiento del antiprotón en Berkeley, repasa algunas de las formas en que los estudios con antiprotones en el CERN han arrojado luz sobre la física básica y, en particular, sobre las simetrías fundamentales.
Crédito de la imagen: O Chamberlain et al. 1956 Nuo. Cim. 3 447.
El 21 de septiembre de 1955, Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand y Tom Ypsilantis encontraron su primera evidencia del antiprotón, obtenida mediante mediciones de su momento y su velocidad. Trabajando en lo que se conocía como el «Rad Lab» de Berkeley, habían montado su experimento en un nuevo acelerador, el Bevatron, un sincrotrón de protones diseñado para alcanzar una energía de 6,5 GeV, suficiente para producir un antiprotón en un experimento de objetivo fijo (CERN Courier noviembre 2005 p27). Poco después, un experimento relacionado dirigido por Gerson Goldhaber y Edoardo Amaldi encontró las esperadas «estrellas» de aniquilación, registradas en pilas de emulsiones nucleares (figura 1). Cuarenta años más tarde, combinando antiprotones y positrones, un experimento en el Anillo de Antiprotones de Baja Energía (LEAR) del CERN reunió en septiembre de 1995 pruebas de la producción de los primeros átomos de antihidrógeno.
A lo largo de las décadas, los antiprotones se han convertido en una herramienta estándar para los estudios de física de partículas; la palabra «antimateria» ha entrado en el lenguaje habitual; y el antihidrógeno se está convirtiendo rápidamente en un laboratorio para las investigaciones en física fundamental. En el CERN, el Decelerador de Antiprotones (AD) es ahora una importante instalación para estudios de física fundamental a bajas energías, que complementa las investigaciones en la frontera de alta energía del LHC. Este artículo repasa algunos de los aspectos más destacados de los estudios del antimundo en el CERN, y echa un vistazo a lo que nos espera en el AD.
De vuelta al Bevatrón, el descubrimiento del antineutrón a través de la aniquilación de partículas neutras se produjo en 1956, preparando el terreno para los estudios de la antimateria real. Inicialmente, todo el mundo esperaba una simetría perfecta entre la materia y la antimateria mediante la combinación de las operaciones de conjugación de carga (C), paridad (P) e inversión del tiempo (T). Sin embargo, tras la observación de la violación de la CP en 1964, no era evidente que las fuerzas nucleares fueran invariantes de la CPT y que los antinucleones se unieran para construir antinucleos. Estas dudas se disiparon con el descubrimiento del antideuterón en el CERN por un equipo dirigido por Antonino Zichichi, y en Brookhaven por un equipo de la Universidad de Columbia, que incluía a Leon Lederman y Sam Ting (CERN Courier mayo 2009 p15y octubre 2009 p22). Una década más tarde, surgieron pruebas de la existencia de antihelio-3 y antitritio en el experimento WA33 del Superprotón Sincrotrón del CERN, tras el avistamiento de algunos candidatos en el sincrotrón de protones de 70 GeV del Instituto de Física de Altas Energías, cerca de Serpukhov. Más recientemente, la disponibilidad de haces de iones pesados en colisión ha llevado a la observación de antihelio-4 por el experimento STAR en el Colisionador Relativista de Iones Pesados de Brookhaven (CERN Courier junio 2011 p8). En el CERN, el experimento ALICE en el LHC observa la producción de núcleos y antinúcleos ligeros con masas comparables y, por lo tanto, energías de enlace compatibles (figura 2).
Salen bariones, entran nuevos mesones
Crédito de la imagen: ALICE Collaboration.
Ya en 1949, antes del descubrimiento del antiprotón, Enrico Fermi y Chen-Ning Yang predijeron la existencia de estados ligados nucleón-antinucleón (barionio), cuando observaron que ciertas fuerzas repulsivas entre dos nucleones podían convertirse en atractivas en el sistema nucleón-antinucleón. Posteriormente, los modelos de quarks basados en la dualidad predijeron la existencia de estados formados por dos quarks y dos antiquarks, que deberían observarse cuando un protón se aniquila con un antiprotón. En la década de 1970, los modelos de potencial nuclear pasaron a predecir una plétora de estados ligados y excitaciones de resonancia en torno a la masa de dos núcleos. De hecho, hubo informes de tales estados, entre ellos los estados estrechos observados en la aniquilación antiprotón-protón (pp) en el Sincrotrón de Protones (PS) del CERN y en las mediciones de la sección transversal pp en función de la energía (el mesón S con una masa de 1940 MeV).
El barionio fue la principal motivación para la construcción en el CERN de LEAR, que funcionó durante más de una década, de 1982 a 1996 (véase el recuadro). Sin embargo, ninguno de los estados del barionio se confirmó en LEAR. El mesón S no se observó con una sensibilidad 10 veces inferior a la señal reportada anteriormente en la sección transversal total de pp. Tampoco se observaron transiciones monoenergéticas a estados ligados. La muerte del barionio fue un tema clave en la Conferencia Antiprotón 86 de Tesalónica. ¿Qué había sucedido? La alta calidad de los haces de antiprotones de LEAR significaba que todos los piones habían decaído. La alta intensidad de los antiprotones (106/s en comparación con unos 102/s en los haces extraídos en el PS) y una alta resolución de momento de 10-3-10-4 fueron cruciales a bajas energías para que los antiprotones se detuvieran con un alcance muy pequeño.
Créditos de las imágenes: CERN y Crystal Barrel Collaboration.
La espectroscopia de los mesones producidos en la aniquilación pp en reposo en varios experimentos en LEAR resultó ser mucho más fructífera. Esto continuó una tradición que había comenzado en la década de 1960 con antiprotones aniquilados en la Cámara de Burbujas de Hidrógeno de 81 cm en el PS, lo que condujo al descubrimiento del mesón E (E para Europa, ahora el η(1440)) y el mesón D (ahora el f1(1285)) en pp → (E, D → KKπ)ππ. El primero condujo a la antigua controversia sobre la existencia en esta región de masa de un candidato a glueball -un estado hecho sólo de gluones- que se observó en la desintegración radiativa J/ψ en el colisionador e+e- de SLAC, SPEAR. Con la puesta en marcha de LEAR, los experimentos ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel y JETSET tomaron el testigo de la espectroscopia de mesones en la aniquilación pp. ASTERIX descubrió un mesón tensor -el AX, ahora f2(1565)- del que también informó OBELIX; su estructura aún no está clara, aunque podría ser el estado de barionio tensor predicho.
Crystal Barrel se especializó en la detección de sucesos multinucleares. Los antiprotones fueron detenidos en un blanco de hidrógeno líquido y los mesones π0 fueron detectados a través de sus desintegraciones γγ en un conjunto en forma de barril de 1380 cristales de CsI (Tl). La figura 3 muestra el detector junto con un gráfico de Dalitz de la aniquilación de pp en π0π0π0, medida por el experimento. La distribución no uniforme de eventos indica la presencia de resonancias intermedias que decaen en π0π0, como los mesones de espín 0 f0(980) y f0(1500), y los mesones de espín 2 f2(1270) y f2(1565). El f0(1500) es un buen candidato para un glueball.
ICE, el AA y LEAR
La construcción de LEAR aprovechó la instalación de antiprotones que se construyó en el CERN en 1980 para buscar los bosones W y Z en el Super Proton Synchrotron (SPS) operando como un colisionador -pp (CERN Courier December 1999 p15). Los antiprotones se originaron cuando los protones de 26 GeV del SPS chocaron contra un blanco. Saliendo con un momento medio de 3,5 GeV/c, se recogieron en el Acumulador de Antiprotones (AA), y se generó un haz de antiprotones puros con pequeñas dimensiones transversales mediante enfriamiento estocástico. Se podían generar y almacenar hasta 1012 antiprotones al día. A continuación, los antiprotones se extraían y se inyectaban en el PS. Tras la aceleración a 26 GeV, se transfirieron al SPS, donde circularon por el mismo tubo del haz que los protones, pero en dirección contraria. Tras una última aceleración a 270 GeV, los antiprotones y los protones entraron en colisión.
Para su inyección en LEAR, los antiprotones de 3,5 GeV/c procedentes del AA fueron desacelerados en el PS, hasta 600 MeV/c. Una vez almacenados en LEAR, se desaceleraban aún más hasta 60 MeV/c y luego se extraían lentamente con una intensidad típica de 106/s. LEAR se puso en marcha en 1982 y llegó a realizar hasta 16 experimentos antes de ser clausurado en 1996. El anillo magnético de LEAR sigue vivo en el Anillo de Iones de Baja Energía, que forma parte de la cadena de inyección de iones pesados en el LHC.
LEAR también se benefició del Experimento de Enfriamiento Inicial (ICE), un anillo de almacenamiento diseñado a finales de la década de 1970 para probar la idea de Simon van der Meer de enfriamiento estocástico en antiprotones, y más tarde para investigar el enfriamiento de electrones. Tras unas modificaciones esenciales, el enfriador de electrones del ICE pasó a colaborar en el enfriamiento de antiprotones en LEAR, y ahora está prestando servicio en la actual instalación de antiprotones del CERN, el AD (CERN Courier septiembre 2009 p13). El ICE también contribuyó a las mediciones de antiprotones, cuando en agosto de 1978 almacenó con éxito antiprotones a 2,1 GeV/c -una primicia mundial- manteniéndolos en circulación durante 32 horas. La anterior mejor medición experimental del tiempo de vida de los antiprotones, procedente de experimentos con cámaras de burbujas, era de unos 10-4 s; ahora se sabe que es de más de 8 × 105 años.
Simetrías fundamentales
El teorema CPT postula que las leyes físicas siguen siendo las mismas cuando se realiza la operación combinada de CPT. La invariancia CPT surge de la suposición en las teorías cuánticas de campo de ciertos requisitos, como la invariancia de Lorentz y las partículas elementales puntuales. Sin embargo, la violación de la CPT es posible a escalas de longitud muy pequeñas, y podría dar lugar a ligeras diferencias entre las propiedades de las partículas y las antipartículas, como el tiempo de vida, la masa inercial y el momento magnético.
En LEAR, la colaboración TRAP (PS196) realizó una serie de experimentos pioneros para comparar con precisión las relaciones carga-masa del protón y del antiprotón, utilizando antiprotones almacenados en una trampa electromagnética fría (Penning). Se pudo observar la señal de un solo antiprotón almacenado, y los antiprotones se almacenaron en la trampa hasta dos meses. Midiendo la frecuencia de ciclotrón de los antiprotones en órbita con un oscilador y comparándola con la frecuencia de ciclotrón de los iones H- en la misma trampa, el equipo consiguió finalmente un resultado del orden de 9 × 10-11. El experimento utilizó iones H- en lugar de protones para evitar sesgos al invertir los signos de los campos eléctricos y magnéticos.
Bajo el supuesto de la invariancia CPT, la violación de la simetría CP observada por primera vez en el sistema de kaones neutros en 1964 implica que también se viola la invariancia T. Sin embargo, en 1998 el experimento CPLEAR demostró la violación de T en el sistema de kaones neutros sin suponer la conservación de CPT (CERN Courier March 1999 p21). El K0 y el K0 se transforman el uno en el otro en función del tiempo, y la violación de T implica que, en un tiempo t dado, la probabilidad de encontrar un K0 cuando inicialmente se produjo un K0 no es igual a la probabilidad de encontrar un K0 cuando se produjo un K0. CPLEAR estableció la identidad del kaón inicial midiendo el signo del kaón cargado asociado en la aniquilación pp → K+K0π- o K-K0π+; la del kaón en el tiempo t se infirió detectando las desintegraciones K0 → π+e- ν y K0 → π-e+ν. La figura 4 muestra que efectivamente se observó una pequeña asimetría, consistente con las expectativas de la violación del CP, asumiendo la invariancia CPT.
El teorema CPT también predice que la materia y la antimateria deberían tener espectros de excitación atómica idénticos. El antihidrógeno -la forma más simple de antimateria neutra que consiste en un positrón orbitando alrededor de un antiprotón- se observó por primera vez en el experimento PS210 en LEAR. El haz interno de antiprotones de 1,9 GeV/c atravesó un blanco de chorro de xenón, permitiendo la posibilidad de que se produjera un par e+e- al pasar un antiprotón por el campo de Coulomb de un núcleo de xenón. El e+ podría entonces ser capturado por el antiprotón para formar antihidrógeno eléctricamente neutro con un momento de 1,9 GeV/c, que podría detectarse más adelante a través de su aniquilación en piones y fotones. Este proceso de producción es bastante raro, pero a pesar de ello la colaboración PS210 informó de la evidencia de nueve átomos de antihidrógeno, tras unos dos meses de toma de datos en agosto-septiembre de 1995, y sólo unos meses antes de que LEAR se apagara. La observación de antihidrógeno se confirmó dos años más tarde en el Acumulador de Antiprotones del Fermilab, aunque con una sección transversal de producción mucho menor.
En el AD
Un nuevo capítulo en la historia del antihidrógeno en el CERN se abrió en el año 2000 con la puesta en marcha del AD, que desacelera los antiprotones hasta 100 MeV/c, antes de extraerlos para experimentos sobre antimateria y física atómica (CERN Courier noviembre 1999 p17). El experimento PS210 había intentado fabricar antihidrógeno en vuelo, pero para estudiar, por ejemplo, la espectroscopia del antihidrógeno, es mucho más conveniente almacenar átomos de antihidrógeno en trampas electromagnéticas, tal como había hecho TRAP en sus experimentos con antiprotones. Esto requiere que el antihidrógeno se produzca a energías muy bajas, lo que el AD ayuda a conseguir.
Créditos de la imagen: ATHENA Collaboration.
En 2002, los experimentos ATHENA y ATRAP en el AD demostraron la producción de un gran número de átomos lentos de antihidrógeno (CERN Courier noviembre 2002 p5y diciembre 2002 p5). ATHENA utilizó láminas absorbentes para reducir la energía de los antiprotones del AD a unos pocos kilo-electronvoltios. A continuación, una pequeña fracción del haz de antiprotones se capturó en una trampa Penning, mientras que los positrones procedentes de una fuente de sodio radiactivo se almacenaron en una segunda trampa. A continuación, las nubes de antiprotones y positrones se transfirieron a una tercera trampa y se hizo que se solaparan para producir antihidrógeno eléctricamente neutro, que migró a las paredes del criostato y se aniquiló. El detector de antihidrógeno contenía dos capas de microfichas de silicio para rastrear los piones cargados procedentes de la aniquilación del antiprotón; un conjunto de 192 cristales de CsI detectó y midió las energías de los fotones procedentes de la aniquilación del positrón (figura 5). En el transcurso del experimento se produjeron alrededor de un millón de átomos de antihidrógeno, lo que corresponde a una tasa media de 10 antiátomos por segundo.
El antihidrógeno tiene un momento dipolar magnético (el del positrón), lo que significa que puede ser capturado en un campo magnético no homogéneo. El primer intento de hacerlo se llevó a cabo en el AD por el experimento ALPHA, que capturó con éxito 38 átomos de antihidrógeno en un campo magnético octupolar (CERN Courier marzo 2011 p13). El tiempo inicial de almacenamiento de antihidrógeno de 172 ms se incrementó posteriormente a unos 15 minutos, allanando así el camino a los experimentos de espectroscopia atómica. Una prueba sensible de la CPT consiste en inducir transiciones de estados de espín singlete a triplete (desdoblamiento hiperfino, o HfS) en el átomo de antihidrógeno, y comparar la energía de transición con la del hidrógeno, que se conoce con muy alta precisión. ALPHA realizó los primeros intentos exitosos de medir el HfS con radiación de microondas, logrando voltear el espín del positrón y expulsar 23 átomos de antihidrógeno de la trampa (CERN Courier abril 2012 p7).
Un enfoque alternativo es realizar un experimento del tipo Stern-Gerlach con un haz de antihidrógeno. El experimento ASACUSA ha utilizado una bobina anti-Helmholtz (trampa de cúspide) para ejercer fuerzas sobre los átomos de antihidrógeno y seleccionar los que se encuentran en un determinado estado de espín del positrón. A continuación, se puede invertir la polarización con microondas de la frecuencia adecuada. En una primera prueba con éxito, se detectaron 80 átomos de antihidrógeno a continuación de la región de producción (CERN Courier March 2014 p5).
La colaboración ASACUSA también ha probado la CPT, utilizando antiprotones detenidos en helio. El antiprotón se capturó expulsando uno de los dos electrones en órbita, quedando el átomo de helio antiprotónico resultante en un estado atómico de alto nivel y larga vida que es susceptible de ser excitado con láser. Utilizando dos rayos láser de propagación contraria (para reducir el ensanchamiento Doppler causado por el movimiento térmico), el grupo fue capaz de determinar la relación de masa antiprotón-electrón con una precisión de 1,3 ppb (CERN Courier septiembre 2011 p7). Una comparación anterior de la relación carga-masa entre el protón y el antiprotón había sido realizada con una precisión de 0,09 ppb por la colaboración TRAP en LEAR, como se ha descrito anteriormente. Cuando se combinan los resultados de ASACUSA y TRAP, se determina que las masas y cargas del protón y del antiprotón son iguales a un nivel inferior a 0,7 ppb.
CPT también requiere que el momento magnético de una partícula sea igual a (menos) el de su antipartícula. El experimento BASE que se está llevando a cabo en el AD determinará el momento magnético del antiprotón hasta 1 ppb midiendo la frecuencia de oscilación axial dependiente del espín en una trampa Penning sometida a un fuerte gradiente de campo magnético. El enfoque experimental es similar al utilizado para medir el momento magnético del protón con una precisión de 3 ppb (CERN Courier julio/agosto 2014 p8). La colaboración ya ha comparado las relaciones carga-masa del antiprotón y del protón, con una precisión fraccional de 6,9 × 10-11 (p7).
Crédito de la imagen: AEgIS Collaboration.
El principio de equivalencia débil (WEP), que establece que todos los objetos se aceleran exactamente de la misma manera en los campos gravitatorios, nunca se ha probado con la antimateria. Los intentos de utilizar positrones o antiprotones han fracasado hasta ahora, como consecuencia de los campos eléctricos o magnéticos parásitos. En cambio, el átomo de antihidrógeno, eléctricamente neutro, es una sonda ideal para probar el PME. La colaboración AEgIS en el AD planea medir el hundimiento de un haz de antihidrógeno a una distancia de 1 m típicamente con un deflectómetro de dos rejillas. El desplazamiento del patrón de moiré inducido por la gravedad se medirá con alta resolución (alrededor de 1 μm) mediante el uso de emulsiones nucleares (figura 6), la misma técnica de detección que se utilizó para demostrar la aniquilación del antiprotón en el Bevatrón, allá por 1956.
El futuro es ELENA
Los futuros experimentos con antimateria en el CERN se beneficiarán del proyecto Extra Low ENergy Antiproton (ELENA), que entrará en funcionamiento a finales de 2017. La eficiencia de captura de antiprotones en los experimentos en el AD es actualmente muy baja (menos del 0,1%), porque la mayoría de ellos se pierden al degradar el haz de 5 MeV del AD a los pocos kilo-electrones-voltios que requiere el voltaje de confinamiento de las trampas electromagnéticas. Para superar esto, ELENA -un anillo de almacenamiento refrigerado por electrones de 30 m de circunferencia que se ubicará en la sala del AD- desacelerará los antiprotones hasta, normalmente, 100 keV. Está previsto que la extracción rápida (a diferencia de la extracción lenta de la que se disponía en LEAR) abastezca a los experimentos con trampas.
Un experimento que se beneficiará de esta nueva instalación es GBAR, que también pretende medir la aceleración gravitatoria del antihidrógeno. Los positrones serán producidos por un linac de electrones de 4,3 MeV y se utilizarán para crear iones antihidrógeno positivos (es decir, un antiprotón con dos positrones) que podrán ser transferidos a una trampa electromagnética y enfriados a 10 mK. Tras la transferencia a otra trampa, donde se desprende uno de los positrones, el antihidrógeno se lanzará verticalmente con una velocidad media de aproximadamente 1 m/s (CERN Courier March 2014 p31).
Cabe recordar que el descubrimiento del antiprotón en Berkeley se basó en unos 60 antiprotones observados durante una carrera de siete horas. El haz de 1,2 GeV/c contenía 5 × 104 piones más que antiprotones. En la actualidad, el AD emite haces puros de unos 3 × 107 antiprotones cada 100 s a 100 MeV/c, lo que hace que el laboratorio del CERN sea único en el mundo para el estudio de la antimateria. A lo largo de las décadas, los haces de antiprotones han permitido descubrir nuevos mesones y realizar pruebas precisas de las simetrías entre la materia y la antimateria. Ahora, se están comparando las propiedades del hidrógeno y del antihidrógeno, y se realizarán pruebas precisas con ELENA. Las probabilidades de ver alguna violación de la simetría exacta son escasas, ya que el teorema CPT es una ley fundamental de la física. Sin embargo, la experiencia demuestra que -como ocurrió con el sorprendente descubrimiento de la no conservación de la paridad en 1957 y la violación de la CP en 1964- los experimentos tendrán, en última instancia, la última palabra.