La masa del antiprotón medida en el helio antiprotónico

Science Magazine

Nada prohíbe que un átomo esté formado por materia y antimateria. El helio antiprotónico (ep̄He) está formado por un núcleo de helio, un electrón y un antiprotón (que tiene carga negativa). Un átomo de helio He enfriado a unos 1,6 K puede capturar un antiprotón que sustituye a uno de los electrones y se coloca en un estado de Rydberg (con un alto número cuántico principal); el resultado es un átomo con un alto momento angular (por ejemplo, para n=38 se obtiene ℓ=36, o ℓ=37). El radio de Bohr para el antiprotón en el ep̄He es de unos 0,16 Å y para el electrón de unos 0,5 Å (ambos valores para el estado de Rydberg con n=38).

Se publica en Science la primera medida espectroscópica del helio antiprotónico. Una medida de alta precisión que alcanza nueve dígitos significativos (entre 2,5 × 10−9 y 16 × 10−9) gracias a estudiar unos 2 × 109 átomos de helio antiprotónico enfriados entre 1,5 y 1,7 kelvin. Gracias a ello se ha podido estimar el cociente entre la masa del antiprotón y el electrón, 1836,1526734(15), que coincide con el cociente entre la masa del protón y el electrón hasta en 8 × 10−10. Este resultado confirma la invarianza CPT (que afirma que la masa del protón y del antiprotón deben ser exactamente iguales).

El artículo del experimento ASACUSA del CERN es Masaki Hori, Hossein Aghai-Khozani, …, Luca Venturelli, “Buffer-gas cooling of antiprotonic helium to 1.5 to 1.7 K, and antiproton-to–electron mass ratio,” Science 354: 610-614 (04 Nov 2016), doi: 10.1126/science.aaf6702. Más información divulgativa en Wim Ubachs, “A testing time for antimatter,” Science 354: 546-547 (04 Nov 2016), doi: 10.1126/science.aah6215.

Por cierto, el nuevo resultado mejora el ya publicado en 2011 en Nature, del que me hice eco en “El helio antiprotónico permite obtener la medida más precisa de la masa del antiprotón”, LCMF, 27 Jul 2011.

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Esquema experimental. Fuente: Science.
Hoy en día se pueden fabricar en laboratorio muchos átomos exóticos que combinan materia y antimateria, como el antihidrógeno, el positronio o el helio antiprotónico. El estudio espectroscópico de los átomos exóticos requiere usar estados metaestables que tengan vidas medias superiores a los microsegundos. El átomo de helio antiprotónico (ep̄He) es un sistema de tres cuerpos, con el electrón en un estado n=1 (1s) y el antiprotón en un estado de Rydberg con número cuántico principal y número de momento angular tales que n ~ ℓ ± 1 ~ 38; en dicho estado el nivel energético del antiprotón está unos ~80 keV por encima de su nivel energético n=1. Gracias a ello su vida media está en la escala de los microsegundos.

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Transiciones electrónicas observadas en los isótopos p̄4He+ y p̄3He+. Fuente: Science.

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Valores medidos y teóricos para las transiciones electrónicas estudiadas en los isótopos p̄4He+ y p̄4He+. Fuente: Science.

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Diferencia entre las medidas experimentales (círculos blancos) y las predicciones teóricas (cuadrados rojos). Fuente: Science.
Se han medido las transiciones electrónicas entre estados con n=30 y n=40 para los isótopos p̄4He+ y p̄4He+. Estas figuras muestran los resultados (que alcanzan una precisión de pocas partes por mil millones, o ppb), comparados con las predicciones teóricas (que son más precisas). Como puedes imaginar estas medidas requieren importantes alardes técnicos. Omito los detalles pues nos llevarían demasiado lejos.

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Comparación de las medidas del cociente entre la masa del (anti)protón y el electrón (se resta 1836). Fuente: Science.
Lo más interesante es la estimación del cociente entre la masa del antiprotón y del electrón, y su comparación con el cociente entre las masas del protón y del electrón. En esta figura se muestra la medida directa más precisa (Farnham 95) del cociente entre las masas del protón y del electrón usando una trampa de Penning, y cuatro medidas indirectas (Beier 02, Verdú 04, Sturm 14 y Biesheuvel 16). En la parte inferior aparecen las nuevas medidas del cociente entre las masas del antiprotón y del electrón usando átomos de helio antiprotónicos. Y, finalmente, el valor recomendado CODATA 2010 en amarillo (el valor recomendado CODATA 2014 es similar al valor Sturm 14).



14 Comentarios

  1. francis en otro articulo tu dijiste que las particulas son campos cuanticos, no?

    Cual seria la representasion correcta de un atomo cualquiera?

    No del campo cuantico de los electrones, sino de un atomo en particular

    1. Bueno, aqui cambia el campo espinorial quiral y la masa del antiprotón se conserva cual si se tratase de la masa de un protón. La invarianza en las simetrías es tan maravilla y prodigio como la topología del plegado de 1800 mm de ADN en un núcleo celular de 23 pares cromosomales.
      Los campos del átomo completo de helio son irrepresentables por mano con pulgar oponible simiesca u ordenador construido por humanos, son demasiados y estadístcamente muy complejos Luciano, necesitamos de adiabáticos cuánticos computadores de los que actualmente carecemos; si es que con ello alcanza para combinarlos todos como un sistema solar de estados de energía fluctuantes resultando en partículas que o nos dan su posición o nos dan su velocidad mientras vibran u oscilan en petahertz. Estamos muy lejos de la cromodinamia en sabores y colores de esos campos junto a las interacciones electromagnéticas completas del sencillo helio-3. Muy lejos de GUT y una teoría de Todo. Demasiado lejos en años a futuro.

      1. no se entendi mi pregunta perdon, me refiero que el dibujo la representacion en dibujo que esta en este articulo son las esferas y una nube, cual seria el dibujo mas cercano a un atomo de verdad no al campo cuantico de los electrones y protones por separado?

        1. Luciano, un átomo es una excitación de los campos electrónico y electromagnético loccalizada alrededor de un núcleo; el núcleo es muy pequeño y la excitación de ambos campos ocupa una región “enorme” que llamamos “tamaño” del átomo. La excitación del campo electrónico se descompone en excitaciones elementales, cada una corresponde a un electrón. Así explica la QED (electrodinámica cuántica) el átomo. Si quieres los detalles matemáticos, te recomiendo el libro del premio Nobel Claude Cohen-Tannoudji, con Jacques Dupont-Roc y Gilbert Grynberg, “Photons and atoms” (pero también te sirve cualquier libro de QED que tenga un capítulo dedicado a los átomos).

          1. Francis o Ramon Hum-Sah

            Entonces cual es el dibujo que mejor representa un atomo? en ves de unas esfera en el centro y una nube?

    2. Muy (muy) buena pregunta Luciano.

      Francis tiene mucha razón en adoptar esa postura, “There are no particles, there are only fields” de Hobson https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1204/1204.4616.pdf es un paper fantástico que aclara porque es muy útil dejar de pensar en partículas y concentrarte en campos cuánticos. La idea de partículas son reales, pero son excitaciones localizadas de campos cuánticos, en espaciotiempo curvo no puedes definir tal cosa (salvo espacios globalmente hiperbólicos), con partículas no puedes explicar el vacío de un campo tampoco efectos no perturbativos como instantones y un muy largo etcétera.

      Sólo hay dos objetos en nuestro universo: Espaciotiempo y Campos cuánticos. Muchos de los grandes logros de la física se pueden explicar unificando campos o combinando simetrías de espaciotiempo con campos o viceversa. A la escala de Planck tiene que haber una unificación entre estos dos conceptos (si es que no hay sorpresas antes), un ejemplo interesante es que la teoría de campos de cuerdas es una teoría de campos cuánticos que es “independiente de fondo”, esta teoría es interesante puesto que contiene (no es la única) generalizaciones poderosas del concepto de campo (campos de alto espín y metacampos) pero al fin y al cabo campos 🙂

      Aquí hay muchas grandes respuestas a tu pregunta recomiendo ampliamente su lectura. http://physics.stackexchange.com/questions/275363/are-there-fields-corresponding-to-the-composite-particles-e-g-hydrogen-atom-fi

  2. “The Unruh effect”

    Esto lo he visto hace años, en trabajos de Haisch, Rueda, y Puthoff (HRP).

    Exacto.

    Un observador acelerado, “de pronto”, empieza a ver partículas.

    El observador no acelerado, “no las ve”.

    Desgraciadamente, Haisch, Rueda, y Puthoff, llevan años marcados como outsiders de la ciencia mainstreaming, por ejemplo, haisch recogido en paginas “racionales”, por su relacion con grupos religiosos.

    Este tipo de hechos, nos recuerdan que los científicos, son seres humanos, recurren a trucos sucios.

    Muy buena la frase: “Un átomo es un conjunto de campos cuánticos interceptando.”

    Pero el experimento de las 2 rendijas, tiene la implicacion EPR.

    Y las medidas de Bell, llevan desde 1981 dando tozudamente el mensaje:

    Fuera del espacio-tiempo, hay algo que une.

    La teoría de campos, cuántica, creo que no lo explica.

      1. No francisco, no la explica.
        Desde Feynman, (Al que estudie en 1974. Y si, era un ‘particle boy’) hasta Green (2011).
        He leído el trabajo que apuntaba Ramiro Hum-Sah. Muy bueno.
        Gracias por traerlo Ramiro. Gracias.
        Pero no llega al fondo.
        Efectivamente, un campo puede tener picos en varias localizaciones.
        Cierto.
        Pero el colapso instantáneo de todo el sistema , en todas sus localizaciones, queda por explicar.
        Un campo no puede trasferir sus parámetros espaciales mas rápido de ‘c’ entre sus distintos puntos de expresión.
        Y los experimentos derivados de Bell, demuestran que es así.
        Hace poco he leído el libro “la realidad oculta”, de Brian Green.
        Aborda (Como no) este clásico.
        Una de las ‘escapatorias’, es la interpretación de los muchos mundos, no necesita el colapso de la función de onda (O del campo, como indicas).
        La clave no es la visión ‘partícula’, ‘campo’, en la que , personalmente, intuyo que la ‘partícula’ es una visión vieja nuestra, no real.
        Concepto antropocentrico, no del universo.
        La clave, francisco, y espero que si alguna vez fuiste un niño curioso, sigas siéndolo, es la unión mas allá del espacio-tiempo.
        Medida hasta la saciedad.
        ———————-
        La visión mas innovadora y fértil que he visto en todo esto, es la de Henry Stapp:
        .-> Antes de cada ‘hecho cuántico’, podemos poner las condiciones, podemos limitar el numero de resultados.

        .->Pero el resultado, no depende de nada del pasado.

        Visto de modo directo:

        El tiempo, trae constantemente al universo, bits de información que NO dependen del pasado.
        Eso son ecuaciones en diferencias finitas (Entropia, informacion).
        Alguien las expresara algún día.
        Suerte francisco.

        1. Javier dice “el colapso instantáneo de todo el sistema queda por explicar”. Esto es falso, el colapso no existe, no es físico (forma parte de una interpretación, pero no forma parte de la física). La QED explica perfectamente la interacción entre un fotón de alta energía bien localizado y el campo de un electrón en un átomo provocando que en apariencia, y solo en apariencia, a ojos de la mecánica cuántica no relativista, la función de onda del electrón colapse y lo localice. Pero la explicación QED no describe el colapso como tal, pues no existe. Cualquier libro de QED te aclara esta cuestión con todo detalle, si te quieres molestar en estudiar la respuesta.

          1. Francisco.
            En el experimento de la doble rendija solo hay un tipo de ‘particula’.
            Y desde luego, los electrones (Si se usan para el experimento), no están en átomos, están sueltos.
            Y la clave no es el colapso de una ‘partícula’ (déjame usar este simple concepto para simplificar el texto, se que entiendes que hablo de mucho mas) aislada.
            Es el colapso de todo el sistema, por muy separadas que estén sus partes.
            Por eso te indicaba ” la implicacion EPR.”.
            Eso, es el misterio.
            El ‘colapso’ en una medición, cierto, puede verse como de-coherencia, provocada por un foton (Que le trata de ver), u otros medios.
            Pero no es eso lo que te he apuntado.
            Y aparte, este post tuyo es el primero que veo donde, por fin, la vieja diatriba sobre la masa gravitatoria de la anti-materia, da un dato objetivo.
            Tienen masa gravitatoria positiva.
            ¿Correcto?.

          2. Javier, te recomiendo leer “La antigravedad, la antimateria y el experimento AEgIS del CERN”, LCMF, 12 Sep 2011, y el más reciente Paola Scampoli, James Storey, “The AEgIS experiment at CERN for the measurement of antihydrogen gravity acceleration,” Mod. Phys. Lett. A 29: 1430017 (2014), doi: 10.1142/S0217732314300171. Todavía no se ha medido con detalle, pero el signo corresponde a “masa gravitatoria” positiva (recuerda que la masa no es la “carga” de la gravedad en la teoría de Einstein, sino la energía y el momento).

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 5 noviembre, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science
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