18/02/2022

Matèria i antimatèria: nous resultats sobre les seves diferències

Clic per engrandir. Al CERN la recerca continua sobre els antiprotons i als àtoms d'antihidrògen.
L'objectiu; trobar diferències entre protons i antiprotons Crèdit: agsandrew, Adobe Stock

El clip descriu la instal·lació única del CERN per a la investigació antiàtom, la fàbrica d'antimatèria, els seus dos desacceleradors (AD i ELENA) i els seus experiments.  

Al CERN, els membres de la col·laboració Base (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment-Experiment de simetria bariònica antibariònica) estan intentant descobrir diferències entre la matèria i les partícules d'antimatèria, una de les claus de la cosmologia i la física fonamental. Acaben d'obtenir nous resultats sobre la comparació dels moments magnètics de protons i antiprotons i la manera com la gravetat podria afectar d'una manera diferent la matèria i l'antimatèria.

El CERN és un expert des de fa dècades en la producció i sobretot en l'emmagatzematge a llarg termini d' antiprotons. Això li permet fer molts experiments per intentar desentranyar alguns dels trencaclosques relacionats amb el descobriment de l'antimatèria, com es veu al vídeo anterior on esmenta Alpha i Aegis per exemple. També mostra i explica que els antiprotons es produeixen a partir de nuclis d'hidrogen accelerats pel sincrotró de protons i enviats a un objectiu estacionari on les col·lisions amb altres nuclis crearan noves partícules. El model estàndard de la física d'altes energies  ens diu que durant el Big Bang s'han d'haver produït tanta matèria com antimatèria com les seves partícules components -fermions i leptons- es van submergir en un bany de fotons i altres partícules que mediaven forces, inclosos els famosos bosons de Brout-Englert-Higgs.

Aquesta mescla es trobava a temperatures molt elevades de manera que cadascuna d'aquestes partícules participava en reaccions de creació i aniquilació de les altres. Però quan l'expansió de l'espai va baixar la temperatura, les aniquilacions es van fer càrrec de les creacions i encara segons el model estàndard, les partícules de matèria i antimatèria haurien d'haver desaparegut combinant-se, quedant només fotons. Òbviament, aquest no és el cas.

Per tant, hi ha d'haver diferències entre les possibles reaccions amb partícules de matèria i aquelles amb partícules d'antimatèria, una diferència que els físics, i en particular, els de Cern rastregen amb antipartícules i fins i tot àtoms antihidrogen.

Podem recordar que amb Base (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) es tracta d'intentar descobrir diferències de comportament entre protons i antiprotons immersos en un camp magnètic. No n'hi hauria d'haver cap si el model estàndard és exacte i, en particular, segons determinades prediccions d'un teorema molt general que totes les teories de camp quàntics relativistes han de verificar fonamentalment.

Però avui, els membres de la col·laboració de Base acaben de donar a conèixer  a través d'un article publicat a la revista Nature que en augmentar la precisió de les mesures que poden fer, han assolit la sensibilitat necessària per plantejar noves limitacions al comportament de l'antimatèria, en aquest cas antiprotons, en un camp gravitatori.

Base és un dels experiments a la fàbrica d'antimatèria del CERN. La gravació del vídeo comença amb una vista aèria (amb dron) de l'edifici de la fàbrica d'antimatèria vist des de l'exterior (00'01''); el vol continua a l'interior sobre la zona experimental amb una visió general dels experiments d'Alpha i Asacusa (00'13''); finalment, el dron sobrevola l'experiment Base (00'19''), on podem veure el portaveu Stefan Ulmer (00'25'') inserint un indicador de nivell de nitrogen dins del criostat basic. Aquesta sonda s'utilitza per mesurar el nivell de nitrogen al recipient. Base utilitza nitrogen líquid i heli líquid per mantenir freda la seva Trampa de Penning, la qual cosa és necessària per evitar que els seus antiprotons s'aniquilin. Crèdit video: CERN

Una prova de 16 milions de la simetria matèria-antimatèria

De fet, els investigadors han mesurat amb una precisió inigualable les relacions entre la càrrega elèctrica i la massa (relació càrrega a massa) per al protó i l'antiprotó. Els resultats mostren que aquestes proporcions són idèntiques per al protó i l'antiprotó dins dels límits d'una incertesa experimental de 16 milionèsimes de milionèsima, tal com s'explica en un comunicat de premsa del Cern on Stefan Ulmer, portaveu de l'experiment Base, fins i tot especifica que "aquest resultat representa la prova directa més precisa d'una simetria fonamental entre matèria i antimatèria realitzada amb barions, partícules formades per tres quarks, i les seves antipartícules”.

Però, per tant, el que és realment interessant és que els investigadors van ser capaços de tenir en compte els possibles efectes del camp gravitatori no només de la Terra sinó també de les variacions d'aquest camp mentre la Terra està en òrbita a distàncies variables del Sol. Les mesures obtingudes podrien, per tant, trair indirectament un comportament diferent d'un antiprotó com el que es pretén determinar directament en altres experiments preguntant-se si un àtom d'antihidrogen cau de la mateixa manera que un àtom d'hidrogen en un camp gravitatori. Podríem veure fins i tot efectes que serien manifestacions del que podríem anomenar antigravetat amb antimatèria?

Per tant, des del desembre de 2017 fins al maig de 2019, els físics de Base van dur a terme més de 24.000 experiments, cadascun de 260 segons de durada, consistents a mesurar un moviment cíclic particular en un camp magnètic present en una trampa de partícules molt eficient anomenada trampa de Penning. Aquest moviment va afectar els antiprotons o els ions d'hidrogen negatius (per tant, un àtom d'hidrogen amb dos electrons) i va mostrar una freqüència propera a l'anomenada freqüència del ciclotró, que és proporcional a la trampa magnètica de la força del camp i la relació càrrega-massa de la partícula que s'està estudiant.

Qualsevol diferència mesurable entre les dues freqüències indicaria una diferència entre matèria i antimatèria i aquesta vegada entre el comportament dels dos tipus de matèria en un camp gravitatori que hauria de ser idèntic segons el que s'anomena "principi d'equivalència debil", de la relativitat general.

Els experiments no van mostrar res dins dels límits de les incerteses experimentals i, per tant, pel que fa al camp gravitatori, es va obtenir un nou límit per a les violacions del principi d'equivalència de l'antimatèria que Stefan Ulmer comenta en aquests termes: “Aquest límit és comparable a la precisió inicialment apuntada pels experiments que estudien la caiguda de l'antihidrogen en el camp gravitatori de la Terra. L'experiment Base no estudia directament la caiguda d'antimatèria a través del camp gravitatori de la Terra, però la nostra mesura de la influència de la gravetat en una partícula d'antimatèria bariònica és conceptualment molt similar i no mostra cap anomalia en la interacció entre l'antimatèria i la gravetat al nivell d'incertesa assolit".


                        Ho he vist aquí.