Los antiprotones de ATRAP (CERN) y la simetría CPT

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La Trampa de Antihidrógeno (ATRAP) es un pequeño experimento en el CERN cuyo objetivo es comparar la antimateria con la materia, en concreto, átomos de antihidrógeno (formados por un antiprotón y un positrón, o antielectrón) con átomos de hidrógeno (formados por un protón y un electrón). Acaban de publicar la medida más precisa del momento magnético del antiprotón, 2,792847356(23) veces el magnetón nuclear, que coincide con el del protón en al mentos cinco partes por millón (0,0005%), una nueva medida (directa) de la invarianza CPT [wiki]. Bajo condiciones muy generales, toda teoría cuántica de campos cumple el teorema CPT (aunque puede violar por separado las simetrías C, P, T, CP, etc.). La simetría CPT se puede verificar en los experimentos comparando las propiedades de las partículas y de las antipartículas, por ejemplo, la masa y la carga del protón y del antiprotón tienen que ser idénticas (son parámetros asociados al campo (en su conjunto) y no a las “componentes” del campo). La medida más precisa de la invarianza CPT corresponde al cociente de la masa entre la carga para el protón (p) y el antiprotón (pbar); sea κ=m/q, se midió en 1999 que κ(p)/κ(pbar) = (1 ± 9) × 10−11. Ello no quita interés a la nueva medida, pues la simetría CPT ha de ser verificada en cada uno de los posibles parámetros alcanzables por los experimentos. El artículo técnico es ATRAP Collaboration, “One-Particle Measurement of the Antiproton Magnetic Moment,” Phys. Rev. Lett. 110: 130801 (2013) [arXiv:1301.6310]. Se han hecho eco en Eric R. Hudson, David Saltzberg, “Viewpoint: Antiprotons Reflect a Magnetic Symmetry,” Physics 6: 36 (2013); y en Lubos Motl, “Antiprotons obey CPT within 5 ppm,” TRF, Mar 29, 2013. Por cierto, el artículo de 1999 es G. Gabrielse, A. Khabbaz, D. S. Hall, “Precision Mass Spectroscopy of the Antiproton and Proton Using Simultaneously Trapped Particles,” Physical Review Letters 82: 3198-3201, 1999 [pdf gratis].

Dibujo20130330 atrap result - spin line - cyclotron line

La interacción débil viola la simetría P (de paridad o inversión en un espejo); el mundo físico real y su reflejo en un espejo se comportan de forma diferente. También viola la simetría C (de conjugación de carga o cambio del signo de las cargas) y la simetría T (de inversión temporal o cambio en el sentido de las desintegraciones de las partículas), así como sus combinaciones CP, CT y PT. Sin embargo, conserva la simetría conjunta CPT. Todas las interacciones del modelo estándar preservan de forma exacta la simetría CPT. Ello no quita que haya que verificar de forma experimental que la simetría CPT se cumple en todas las interacciones. Hay que recordar que cuando se descubrió la violación de la simetría P en las interacciones débiles, muchos físicos pensaban que era imposible que esta simetría se violara y que no tenía sentido verificarlo en los experimentos (de ahí que el descubrimiento fuera tan tardío como en 1957). Por ello, hoy en día muchos experimentos están tratando de verificar si la simetría CPT se viola en la Naturaleza. Hasta el momento no hay indicios de que se viole.

La colaboración ATRAP utiliza un equipo experimental capaz de medir tanto el momento magnético del protón como el del antiprotón, siendo esta medida mucho más difícil por cuestiones técnicas. Un antiprotón capturado en una trampa de Penning tiene una órbita circular alrededor del eje del campo magnético (B ≈ 5 T). El estado cuántico está descrito por el número cuántico orbital n y por la proyección del espín del antiprotón en la dirección del campo magnético m=±1/2, es decir, por un estado |n,m>. En la colaboración ATRAP se han estudiado transiciones de tipo ciclotrón, |n,m>→|n+1,m> (cyclotron line en la figura), y de cambio de espín, |n,m>→|n,m±1> (spin line en la figura). Midiendo ambas frecuencias, y asumiendo que los cocientes κ=m/q del protón y del antiprotón son indénticos, se puede determinar el cociente entre el momento magnético del anitprotón y el del protón. El análisis teórico del experimento es muy sencillo, aunque su realización práctica con un error pequeño es muy difícil. La mayor dificultad es que el momento magnético del antiprotón es unas ∼2000 veces más pequeño que el del electrón, por lo que hay que emplear técnicas muy refinadas para lograr una medida precisa.

3 Comentarios

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Jorge DiazJorge Diaz

Hola Francis,
quería comentar acerca de “la medida más precisa de la invarianza CPT” que mencionas, ya que las hay mucho mejores. Mediciones en el sistema de kaones neutros son del orden de $latex 10^{-18}$, en neutrinos es del orden $latex 10^{-21}$, en protones y electrones se ha llegado a $latex 10^{-31}$, y en fotones a $latex 10^{-43}$. Todos estos resultados están tabulados en “Data Tables for Lorentz and CPT Violation” [arXiv:0801.0287] que se actualiza cada año.
En caso de ser de interés, comento además que lamás importante conferencia en este tema que se realiza cada tres años será en unos meses Sixth Meeting on CPT and Lorentz Symmetry.
Un saludo.

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