Nuevos efectos cuánticos en la antimateria

Ahmadi, M., Alves, B.X.R., Baker, C.J. et al. Investigation of the fine structure of antihydrogen. Nature 578, 375–380 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2006-5. DESCARGAR

La colaboración científica ALPHA del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) ha realizado las primeras mediciones en el antihidrógeno de ciertos efectos cuánticos, como el llamado efecto Lamb. Las medidas son consistentes con la teoría y las propiedades del hidrógeno ‘normal’, subrayando las simetrías entre la materia y la antimateria.

Trabajando con antihidrógeno, la contraparte de antimateria del hidrógeno, científicos del experimento ALPHA del CERN informan esta semana en la revista Nature que han logrado medir ciertos efectos cuánticos por primera vez en estos ‘antiátomos’.

Los efectos, relacionados con la estructura fina y una pequeña diferencia en los niveles energéticos del hidrógeno conocido como efecto Lamb, se sabe que se producen en la materia. Con estudios como este se intentan encontrar diferencias entre el comportamiento de la materia y la antimateria, pero todavía no se han observado.

De momento, los resultados muestran que las mediciones son consistentes con las propiedades y predicciones teóricas de los efectos en el hidrógeno ‘normal’, además de servir para allanar el camino para tomar medidas cada vez más precisas de estos valores. “Encontrar cualquier diferencia entre las dos formas de materia sacudiría los cimientos del modelo estándar de física de partículas, y estas nuevas mediciones exploran aspectos de la interacción de la antimateria, como el efecto Lamb, que siempre hemos querido abordar”, dice el investigador Jeffrey Hangst, portavoz del experimento ALPHA. “Lo siguiente en nuestra lista será enfriar grandes muestras de antihidrógeno usando técnicas de enfriamiento láser de última generación –adelanta–. Estos métodos transformarán los estudios de antimateria y permitirán realizar comparaciones de alta precisión sin precedentes entre la materia y la antimateria”.

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La diferencia entre neutrinos y antineutrinos

Dos investigadores del Instituto de Física Corpuscular de Valencia han presentado un teorema para desenredar el engañoso efecto que produce la Tierra en las oscilaciones de neutrinos y antineutrinos y dificulta su distinción.

<p>Esquema de la propagación de los neutrinos del experimento DUNE, desde la fuente de producción en Fermilab (Chicago) hasta el detector subterráneo en Dakota del Sur. / DUNE Collaboration</p>

El teorema se podrá aplicar en futuros experimentos como DUNE en EE UU y T2HK en Japón, además de aportar una nueva pista para explicar la asimetría entre la materia y antimateria en el universo.

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Los científicos José Bernabéu y Alejandro Segarra del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto de la Universidad de Valencia y el CSIC) acaban de publicar en la revista Physical Review Letters la solución a un problema que se venía discutiendo en física de neutrinos desde hacía décadas.

Observando un fenómeno conocido como ‘oscilaciones de neutrinos’, la ciencia busca respuesta a por qué vivimos en un universo de materia y no de antimateria, su réplica idéntica. Sin embargo, este proceso se ve afectado por la propia Tierra, hecha de materia, que crea un efecto engañoso que se consideraba inseparable de la observación genuina de las diferencias entre materia y antimateria.

Ahora los dos investigadores proponen un modo de ‘desenmarañar’ o separar ambos efectos, con aplicación en futuros experimentos como DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) en Estados Unidos y T2HK (Tokai to Hyper-Kamiokande) en Japón.


José Bernabéu y Alejandro Segarra. “Disentangling genuine from matter-induced CP violation in neutrino oscillations”. Phys. Rev. Lett. 121, 211802, 2018.

José Bernabéu y Alejandro Segarra. “Signatures of the genuine and matter-induced components of the CP violation asymmetry in neutrino oscillations”.  J. High Energ. Phy. 63, 2018.


LA ASIMETRÍA MATERIA-ANTIMATERIA

Los neutrinos son unas partículas elementales especiales: apenas tienen masa y rara vez interactúan con el resto de materia conocida. Abundan en una radiación aún no detectada producida en la época primigenia del universo, y se cree guardan la clave de la asimetría materia-antimateria, la explicación a por qué la materia se impuso a la antimateria para formar todo lo que vemos en el cosmos.

Para estudiar esta cuestión, una de las más importantes de la Física, se compara el comportamiento de neutrinos y su réplica de antimateria, los antineutrinos, producidos en aceleradores de partículas y detectados a cientos de kilómetros de su origen. Durante ese viaje los neutrinos ‘oscilan’, se transforman entre los tres tipos que se conocen (electrónico, muónico y tauónico). Este fenómeno, conocido como ‘oscilaciones de los neutrinos’ y cuyo descubrimiento supuso el Nobel de Física de 2015, se produce en el interior de la Tierra, ya que los neutrinos pueden atravesarla al interactuar muy poco con la materia que la forma.

“Esto crea un efecto engañoso ‘enmarañado’ con la búsqueda del efecto genuino propio de la diferencia entre neutrinos y antineutrinos como si se propagaran en el vacío”, explica José Bernabéu, profesor emérito de la Universidad de Valencia y coautor del trabajo junto a Alejandro Segarra, estudiante de doctorado en el departamento de Física Teórica y el IFIC.
“Los dos efectos, el genuino y el engañoso, se manifiestan del mismo modo entre neutrinos y antineutrinos, así que parece imposible desenmarañarlos. Pero se pueden separar si se comportan de forma distinta bajo otras propiedades”, argumenta Bernabéu.

Los dos autores presentan un teorema de desenmarañamiento de los dos efectos, que poseen propiedades distintas bajo otras simetrías fundamentales de la Física como la llamada inversión temporal (T) y la combinada carga, paridad e inversión temporal (CPT), estudiadas anteriormente por Bernabéu en otros sistemas físicos.

Esto permite diferenciar el efecto genuino de las diferencias entre neutrinos y antineutrinos del efecto engañoso, puesto que este último presenta una ruptura de la simetría CPT que no aparece en el genuino.

Energía mágica para distinguir el efecto engañoso

La primera consecuencia del teorema de Bernabéu y Segarra es que las componentes que identifican los dos efectos dependen de modo distinto de la distancia que recorren los neutrinos. Sin embargo, los experimentos que miden sus oscilaciones no pueden situar distintos detectores a lo largo de su viaje por la Tierra, sino que construyen un único detector a una distancia fija que oscila entre los 300 kilómetros del experimento T2HK y los más de 1.000 de DUNE.

Lo que sí pueden medir estos detectores es la energía de la oscilación, esto es, la energía con la que llegan los neutrinos. Así, en este artículo los investigadores del IFIC exploran la energía esperada para cada una de las componentes, la genuina y la engañosa, encontrando que, de hecho, es muy distinta, lo que proporcionaría una señal experimental para separarlas.

Este último resultado ha motivado un estudio detallado que los mismos autores publican en Journal of High Energy Physics, donde analizan esa dependencia energética y descubren el origen de su distinto comportamiento para la componente genuina y la engañosa.

Los físicos valencianos hallan una ‘energía mágica’ en la que coinciden tres propiedades: el segundo máximo donde se producen las oscilaciones de neutrinos, que ofrece una cantidad apreciable de eventos para estudiar; anula la componente engañosa y proporciona un máximo de efecto genuino para obtener una evidencia directa de la ruptura de la simetría entre materia y antimateria.

En los 1.300 kilómetros que separan el laboratorio Fermi, cerca de Chicago, y el detector en construcción en Dakota del Sur de DUNE, esa energía mágica es 0,91 GeV. “Esta ‘energía mágica’ es accesible y reconstruible en el experimento incluso con una precisión modesta en la determinación de su valor con una incertidumbre de 0,15 GeV”, afirman los investigadores.

Por otra parte, a energías superiores a este valor mágico domina la componente engañosa, y el signo de la diferencia observada entre neutrinos y antineutrinos ofrece la solución a otro problema aún abierto: la ordenación de los niveles de menor a mayor masa de los tres tipos de neutrinos.

Con estos resultados es posible ahora realizar una simulación rigurosa del experimento y adaptar su diseño para observar si existe una diferencia fundamental entre el comportamiento de neutrinos y antineutrinos, algo en lo que trabajan los investigadores junto con el grupo del IFIC que participa en DUNE.

Physics of the B Factories.

Resultado de imagen de The Physics of the B Factories

A.J. Bevan, B. Golob, Th. Mannel, S. Prell, and B.D. Yabsley, (et al.). The Physics of the B Factories. (2017). Springer: Eur. Phys. J. C 74. ISBN: 9783662449905. Texto completo.

Abstract

This comprehensive work thoroughly introduces and reviews the set of results from Belle and BaBar – after more than two decades of independent and complementary work – all the way from the detectors and the analysis tools used, up to the physics results, and the interpretation of these results. The world’s two giant B Factory collaborations, Belle at KEK and BaBar at SLAC, have successfully completed their main mission to discover and quantify CP violation in the decays of B mesons. CP violation is a necessary requirement to distinguish unambiguously between matter and antimatter. The shared primary objective of the two B Factory experiments was to determine the shape of the so-called unitarity triangle, an abstract triangle representing interactions of quarks, the elementary constituents of matter. The area of the triangle is a measure of the amount of CP violation associated with the weak force.Many other measurements have been performed by the B Factories and are also discussed in this work.

El mar de Dirac: un mar infinito de partículas con energía negativa

Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), fue uno de los físicos más influyentes del siglo XX. Su timidez llegó a ser legendaria: cuando le informaron que acababa de ganar el premio Nobel, Dirac le dijo a Rutherford que él no deseaba aceptarlo porque  tenía aversión a la publicidad, pero aquel le respondió que ¡el rechazo del premio le traería aún más publicidad!

El mar de Dirac y su relacion en NGE

Como el Mar de Dirac o el Océano de Dirac se conoce al modelo teórico del vacío que sería como un mar infinito de partículas con energía negativa.

Fue desarrollado por el físico británico Paul Dirac en 1930 para tratar de explicar los estados cuánticos anómalos con energía negativa predichos por la ecuación de Dirac para electrones relativistas. Antes de su descubrimiento experimental en 1932, el positrón, la antipartícula correspondiente al electrón, fue concebida originalmente como un hueco en el mar de Dirac.


Átomo

El mar de Dirac y su relacion en NGE

Antiátomo
El mar de Dirac y su relacion en NGE

Al analizar la naturaleza de las partículas subatómicas Dirac comprendió lo que gracias a él sabemos hoy: que hay una infinidad de estados cuánticos en los que dichas partículas pueden estar. Pero entonces debían de existir ya una infinidad de partículas ocupando todos esos posibles estados cuánticos, este es el mar de Dirac, del que también se deduce la antimateria, ya que es posible mediante aceleradores de partículas y otros medios de convertir a una partícula en otra y así “sacarla” del mar de Dirac, lo cual resultaría en un estado cuántico que nada ocuparía, y que Dirac comprendió que no podía ser, así que dedujo que cuando una partícula se convertía en otra debía de haber también alguna, en alguna parte, que “bajara” y ocupara dicho espacio, solo que lo haría con la energía opuesta a la otra que había “salido”, esta es la antimateria.

El grupo musical The Superconducting Supercolliders  tituló a una de sus canciones “Sea of Dirac”.
La banda Sithu Aye compuso una canción llamada “Dirac Sea”.
El concepto del Mar de Dirac es explorado en el juego de rol de ciencia-ficción Einstenian Roulette.

 

We are sailing on the Sea of Dirac.
How long have we been here?
How do we get back?
And you say you’re looking
For a hole in the sea
But if you look long enough
You will see that it’s just me.
Mass annihilation
Extend the Schrödinger equation.

When antimatter comes in waves,
You should get out of the way.
I hate to die
But I think you and I
Might be destined to collide
And nothing would survive.
You’re impossible to hate.

 

La ecuación más bonita.

Ecuación más bonita del mundo
Ella dijo: “Dime algo bonito”, y él le dijo: “(∂ + m) ψ = 0”.

Ésa es la ecuación de Dirac. Gracias a esto, se describe el fenómeno de entrelazamiento cuántico, que en la práctica dice que: ‘Si dos sistemas interactúan uno con el otro durante un cierto período de tiempo y luego se separan, lo podemos describir como dos sistemas separados, pero de alguna manera sutil están convertidos en un solo sistema. Uno de ellos sigue influyendo en el otro, a pesar de kilómetros de distancia o años luz’. Esto es el entrelazamiento cuántico o conexión cuántica. Dos partículas que, en algún momento estuvieron unidas, siguen estando de algún modo relacionadas. No importa la distancia entre ambas, aunque se hallen en extremos opuestos del universo. La conexión entre ellas es instantánea.

Está considerada como una de las ecuaciones más bonitas de la física por ser “Estéticamente elegante y simple”

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La llamada ecuación de Dirac es la versión relativista de la ecuación de ondas de la mecánica cuántica y fue formulada por Paul Dirac en 1928, quien juntó dos de las ideas más importantes de la ciencia: la mecánica cuántica (la ecuación de Schrödinger) que describe el comportamiento de objetos muy pequeños; y la teoría especial de Einstein de la relatividad, que describe el comportamiento de objetos en movimiento rápido. Por lo tanto, la ecuación de Dirac describe cómo las partículas como electrones se comportan cuando viajan a casi la velocidad de la luz, también describe de forma natural el spin y predice la existencia de antimateria.