La masa del antiprotón medida en el helio antiprotónico

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.

Esquema experimental.

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.

Transiciones electrónicas observadas en los isótopos p̄4He+ y p̄3He+. 

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

Diferencia entre las medidas experimentales (círculos blancos) y las predicciones teóricas (cuadrados rojos). 

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.

Comparación de las medidas del cociente entre la masa del (anti)protón y el electrón (se resta 1836). 

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).