La electrodinámica cuántica (QED) se culminó en 1949 incentivada por la primera medida del desplazamiento de Lamb en el hidrógeno en 1947. Se logró con un error del 10%. Se ha publicado en Nature la primera medida de dicho efecto en el antihidrógeno, alcanzando un error del 11%. La Colaboración ALPHA en el CERN lo ha logrado extrapolando una medida de la estructura fina del antihidrógeno con un error del 2%. El resultado obtenido es compatible con las predicciones del modelo estándar y nos vuelve a recordar que es una teoría invariante CPT.
El desplazamiento Lamb en el átomo de hidrógeno es la separación entre sus estados 2S1/2 y 2P1/2 debida al efecto del vacío del campo electromagnético (que liga el electrón al protón). La medida de Lamb en 1947 logró el Premio Nobel de Física de 1955, porque fue la mecha que prendió el nacimiento de la QED, gracias a los trabajos de Dyson, Feynman, Schwinger y Tomonaga −los tres últimos obtuvieron el Premio Nobel de Física de 1965, mientras Freeman J. Dyson, fallecido el pasado 28 de febrero de 2020, se quedó sin galardón—. La colaboración ALPHA ha medido el desplazamiento Lamb del átomo de antihidrógeno (un positrón ligado a un antiprotón) entre los estados 2P1/2 y 2P3/2, con una precisión de 16 partes por millardo (o en mil millones); el resultado coincide con la predicción de la QED con un error del 2%; para la separación entre los estados 2S1/2 y 2P1/2, se ha obtenido un valor extrapolado que coincide con la predicción de la QED en un 11%. Un gran éxito que permitirá la medida de otras propiedades del antihidrógeno, como el radio de carga del antiprotón.
El artículo es The ALPHA Collaboration, «Investigation of the fine structure of antihydrogen,» Nature 578: 375-380 (19 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2006-5; más información divulgativa en Randolf Pohl, «Fundamental symmetry tested using antihydrogen,» Nature 578: 369-370 (19 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-00384-y.
El desplazamiento entre los estados 2P1/2 y 2P3/2 en el hidrógeno (para campo magnético externo nulo) es debido a la interacción espín-órbita entre los estados orbitales de momento angular L=1 y el espín 1/2 del electrón, siendo una predicción de la ecuación de Dirac para el electrón. El desplazamiento de Lamb entre los estados 2S1/2 y 2P1/2 en el hidrógeno (también sin aplicar un campo magnético) es debido a la interacción entre el electrón con las fluctuaciones cuánticas del vacío del campo electromagnético, siendo una predicción de la QED. Cuando se aplica un campo magnético, el efecto Zeeman produce que el estado 2P3/2 se desdoble en cuatro nivels (2Pa, 2Pb, 2Pc, y 2Pd), mientras los estados 2S1/2 y 2P1/2 se desdoblan en dos estados (2Sab y 2Scd; y 2Pe y 2Pf).
El desplazamiento de Lamb en el átomo de hidrógeno entre los estados 2S1/2 y 2P1/2 ha sido medido con una precisión del 10% extrapolando a campo nulo los resultados medidos aplicando un campo magnético externo. La misma técnica ha sido usada por la Colaboración ALPHA para el antihidrógeno; se ha medido el desplazamiento entre los estados 2Pc y 2Pf al aplicar un campo magnético de 1 T (tesla). Los valores a campo nulo se obtienen extrapolando linealmente (comportamiento predicho por la teoría QED).
La figura muestra el experimento ALPHA-2 de la Colaboración ALPHA. El volumen cilíndrico que atrapa los antihidrógenos tiene un diámetro de 44.35 mm y una longitud axial de 280 mm. Se encuentra rodeado de imanes y solenoides superconductores para atrapar los antidrógenos. Los positrones entran por la derecha y los antiprotones por la izquierda; para explorar los estados electrónicos se usa un láser con pulsos de 121.6 nm (a la derecha) y un fotomultiplicador (PMT, a la izquierda). La luz coherente a 121.6 nm se produce mediante la generación por tercer armónico a partir de pulsos de 365 nm producidos en un gas de Kr/Ar con una repetición de 10 Hz. La anchura típica de los pulsos ópticos de 121.6 nm es de 12 ns, y su ancho de banda de 65 MHz. El haz láser tiene un diámetro de 3.6 mm para que esté bien colimado en toda la trampa. Los antihidrógenos reciben una energía desde 0.44 nJ hasta 0.72 nJ a partir de los pulsos ópticos.
En el centro de la trampa se aplica un campo magnético de 1.0329 ± 0.0004 T a los antihidrógenos. Para producirlos se han usado 90 000 antiprotones generados por AD (Antiproton Decelerator) del CERN y tres millones de positrones enfriados a menos de 0.54 K. Los antihidrógenos se confinan en ciclos de 4 minutos y la vida media de almacenamiento es mayor de 60 horas; así se han logrado obtener cientos de antihidrógenos en unas pocas horas.
Las medidas de la estructura fina del espectro del antihidrógeno están en muy buen acuerdo con las predicciones teóricas. Lo que no les quita ningún mérito, pues se trata de un experimento muy difícil de llevar a cabo. En la figura se muestra el desplazamiento en frecuencia relativo a 2 466 036.3 GHz (que sería el cero en el eje horizontal). Se observan claramente los dos picos esperados. El resultado son desplazamientos 2Pc−2Pf de 14.945 ± 0.075 GHz, 2Sd−2Pc de 9.832 ± 0.049 GHz, y de 2Sd−2Pf de 24.778 ± 0.060 GHz, todos ellos con un campo magnético aplicado de 1.0329 T. Solo dos de estos tres valores son independientes entre sí, y todos ellos están en excelente acuerdo con las predicciones teóricas.
Esta figura resume el resultado obtenido, el error relativo entre el valor experimental fres(exp) y la predicción teórica fres(th) en partes por millardo (ppb, parts per billion). Para obtener el desplazamiento Lamb hay que extrapolar estos resultados linealmente hasta obtener el valor sin campo magnético externo. Extrapolando se estima para el antihidrógeno un desplazamiento 2Pc−2Pf de 10.88 ± 0.19 GHz. Combinado con medidas previas de alta precisión de la transición 1S–2S para el antihidrógeno se obtiene un desplazamiento Lamb de 0.99 ± 0.11 GHz, en buen acuerdo con la predicción teórica de 1.046 ± 0.035 GHz.
La mayor fuente de error de estos resultados es estadística; en 2021 se pondrá en marcha ELENA, la versión mejorada de AD (Antiproton Decelerator) del CERN. Así se incrementará el flujo de antiprotones y se incrementará la estadística, con lo que podemos esperar un nuevo resultado de mayor precisión para 2023. Este tipo de medidas son muy importantes porque nos permiten explorar posibles incumplimientos de la invariancia CPT del modelo estándar de la física de partículas.
El teorema CPT afirma que toda teoría cuántica de campos que sea invariante Lorentz debe ser invariante ante la aplicación consecutiva de una inversión temporal (T), una inversión de paridad (P) y una conjugación de carga (C). En dicha teoría las partículas y las antipartículas tienen exactamente la misma masa, pero cargas opuestas. La Naturaleza podría incumplir dicha simetría (en su caso en una proporción muy pequeña a las energías que podemos explorar). Por ello es necesario que sigan explorando los límítes de su posible incumplimiento. El nuevo resultado de la Colaboración ALPHA permitirá obtener nuevos límites máximos para la asimetría CPT usando el antihidrógeno.
En resumen, la historia de la ciencia ha mostrado muchas veces sorpresas que se ocultan en medidas de alta precisión de parámetros físicos. Por ello es necesario que se sigan midiendo fenómenos para los que, a priori, no esperamos ninguna sorpresa. Pero las sorpresas, lo son, cuando nadie las espera. Por ello me parece muy relevante que la Colaboración ALPHA siga midiendo propiedades del antihidrógeno. Así lo que sabemos sobre la antimateria recibe una base más firme.
Off-Topic:
No tiene relación con la entrada pero creo que tiene algún valor sentimental recomendar escuchar algunos comentarios de Freeman Dyson al respecto del efecto «Lamb shift» en honor de su memoria.
https://www.youtube.com/watch?v=062GN3RdH1c
https://www.youtube.com/watch?v=WqZRSHnYrEE