La medida más precisa de la invariancia CPT con el protón y el antiprotón

Por Francisco R. Villatoro, el 12 agosto, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Relatividad • Science ✎ 7

Dibujo20150812 Results and data analysis - antiproton-to-proton charge-to-mass ratio - nature com

El teorema CPT de Lüders–Pauli afirma que toda teoría cuántica de campos es invariante CPT. Las propiedades y simetrías de las partículas y de las antipartículas deben ser idénticas, salvo por un cambio de signo en sus cargas. Se publica en Nature la comparación más precisa entre el cociente carga/masa del protón y del antiprotón (coinciden en 69 partes por billón). La medida equivale a verificar el teorema CPT a energías de atto-electrónvoltio. Además, implica que el principio de equivalencia débil de la relatividad general se cumple para la antimateria bariónica con una precisión de casi una parte por millón.

El artículo es S. Ulmer et al., “High-precision comparison of the antiproton-to-proton charge-to-mass ratio,” Nature 524: 196–199, 13 Aug 2015, doi: 10.1038/nature14861; más información en Klaus P. Jungmann, “Particle physics: Matter and antimatter scrutinized,” Nature 524: 168–169, 13 Aug 2015, doi: 10.1038/524168a.

Recomiendo leer en este blog: “Los antiprotones de ATRAP (CERN) y la simetría CPT,” LCMF, 30 Mar 2013; “El helio antiprotónico permite obtener la medida más precisa de la masa del antiprotón,” LCMF, 27 Jul 2011; “Francis en #rosavientos: Lanzan el primer rayo de antiátomos,” LCMF, 26 Ene 2014; “Nuevo récord, atrapan en el CERN un átomo de antihidrógeno durante 1000 segundos,” LCMF, 10 Jun 2011; “La medida más precisa del momento magnético del protón,” LCMF 29 May 2014;

Dibujo20150812 circular motion in magnetic field - antiproton-to-proton charge-to-mass ratio - nature com

En un ciclotrón (un campo eléctrico oscilatorio) una partícula cargada se mueve en un círculo a una frecuencia de resonancia llamada frecuencia ciclotrón. En el nuevo artículo se ha comparado esta frecuencia en idénticas condiciones para antiprotones (cuya carga es negativa) e iones de hidrógeno negativamente cargados (un protón ligado a dos electrones, cuya carga total también es negativa). La comparación entre dos frecuencias es el método experimental que permite obtener resultados más precisos. En el nuevo artículo se ha alcanzado una precisión de 69 partes por billón tras repetir el experimento 6500 veces durante 35 días (cada medida se realizaba durante cuatro minutos y luego se reciclaban las partículas). El resultado obtenido es cuatro veces mejor que el más preciso hasta el momento.

 

Dibujo20150812  Schematic of the measurement and the reservoir Penning traps - antiproton-to-proton charge-to-mass ratio - nature com

Para la medida se ha usado una trampa de Penning criogénica enfriada a 5,2 ± 1,1 K encerrada en una cámara de vacío con presión ultrabaja. Se ha usado un campo magnético de B0 = 1,946 T generado por un imán superconductor. Para la medida de la frecuencia de resonancia se ha usado un sistema de detección superconductor de alta sensibilidad. La fuente de antiprotones es el experimento Antiproton Decelerator del CERN.

El cociente entre la masa del antiprotón y el ión de hidrógeno obtenido en el experimento es R = 1,001089218872 (64), que implica un valor para el cociente entre el antiprotón y el protón de R−1 = − (3 ± 79) × 10−12, que es consistente con la unidad. El cociente Q = q/m entre la carga y la masa del antiprotón (Qa) y del protón (Qp) medido es de Qa/Qp − 1 = (1 ± 64 ± 26) × 10−12, que es consistente con la invariancia CPT.

Dibujo20150812 tests local lorentz invariance - relativity livingreviews

Para estudiar la violación de la invariancia CPT (o la violación de la invariancia Lorentz) usando trampas de Penning hay que usar una versión extendida del modelo estándar que incorpore de forma explícita nuevos términos en el lagrangiano que violen dicha simetría. El artículo de Robert Bluhm, Alan Kostelecky, Neil Russell, “CPT and Lorentz Tests in Penning Traps,” Phys. Rev. D 57: 3932–3943, 1998, doi: 10.1103/PhysRevD.57.3932arXiv:hep-ph/9809543, introduce varias medidas, entre ellas rH (no entraré en detalles técnicos). En 1998 el límite experimental era rH < 10−25. El nuevo artículo mejora dicho límite hasta rH < 9 × 10−27.

Dibujo20150812 weak equivalence principle  tests - relativity livingreviews

Las medidas en trampas de Penning del cociente carga/masa también se pueden usar para estudiar el principio de equivalencia débil en relatividad general (Richard J. Hughes, Michael H. Holzscheiter, “Constraints on the gravitational properties of antiprotons and positrons from cyclotron-frequency measurements,” Phys. Rev. Lett. 66: 854–857, 1991, doi: 10.1103/PhysRevLett.66.854). Si la antimateria responde a la gravedad de forma diferente a la materia, habrá una diferencia en la frecuencia ciclotrón. Esta anomalía se puede caracterizar por el parámetro αg, que modifica el potencial gravitatorio newtoniano U en la forma αU. La nueva medida permite obtener un nuevo límite superior para esta anomalía |αg−1| < 8,7 × 10−7.

En resumen, un artículo muy interesante que nos muestra que poco a poco los límites a la violación del teorema CPT y a la violación del principio de equivalencia van decreciendo poco a poco.

Por cierto, las dos últimas figuras con fondo amarillo son de Clifford M. Will, “The Confrontation between General Relativity and Experiment,” Living Reviews in Relativity 17: 4, 2014, doi: 10.12942/lrr-2014-4.



7 Comentarios

  1. ¿Cuál es, aproximadamente, el valor máximo de violación CPT a partir del cual ésta ya no basta para explicar la asimetría materia/antimateria que vemos en el universo? (O, dicho de otro modo, la precisión a partir de la cual estos experimentos dejan de ser útiles para explicar la escasez de antimateria en el universo.)

    1. Antonio, confundes violación CP (responsable de la asimetría materia-antimateria) con violación CPT (que implica violaciones de la invariancia Lorentz o de la evolución (cuántica) unitaria).

      El Modelo Estándar tiene dos fuentes de violación CP, la matriz CKM que mezcla los quarks y la matriz PMNS que mezcla los neutrinos. La violación CP en CKM es muchos órdenes de magnitud inferior a la necesaria (el problema CP fuerte en QCD que requiere la introducción del axión). La violación CP en PMNS todavía no ha sido determinada mediante experimentos; si el neutrino es de Dirac hay una sola fase CP y se estima que la violación podría ser unas tres veces inferior a la necesaria; por ello, muchos físicos prefieren que el neutrino sea de Majorana, que aporta tres fases CP y que podrían dar cuenta de toda la violación CP necesaria. Pero aún no sabemos cuánto aporta la violación CP en la matriz PMNS.

      Saludos
      Francis

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