Para crear átomos de antihidrógeno es necesario producir primero y reunir luego positrones y antiprotones. El desacelerador de antiprotones del CERN (a la derecha) suministra antiprotones de energía bastante baja a tres experimentos: ATRAP, ATHENA y ASACUSA. Esos positrones y antiprotones se atrapan mediante trampas magnéticas y eléctricas en cada extremo de un aparato de forma tubular donde se ha hecho el vacío (abajo). Los campos se manipulan a continuación con el fin de reunir las partículas en una trampa de mezclado, donde se forman átomos de antihidrógeno, que se detectarán. Los principios de funcionamiento de la trampa de mezclado se debieron al grupo ATRAP y a su predecesor, TRAP. Los diagramas ofrecidos se refieren al aparato ATHENA.
Energía potencial (electro
nv olt) Energía potencia l (electro nv olt) 50 75 100 125 –125 –100 –75 –50
FUNCIONAMIENTO DEL CAPTADOR DE ANTIPROTONES La trampa se ceba con una nube de electrones fríos.
Los antiprotones procedentes del desacelerador penetran a través de una delgada pared de aluminio.
El aluminio frena algunos de los antiprotones
Una elevada barrera de potencial eléctrico refleja estos antiprotones ralentizados y los devuelve a la trampa. Los antiprotones de alta energía escapan hacia la derecha Se eleva rápidamente una alta barrera de potencial en el extremo izquierdo, por lo que los antiproto- nes rebotan una y otra vez de un extremo a otro
En cada pasada, los antiprotones ceden parte de su energía a los electrones y acaban asentándose en la trampa central. Entonces se rebaja la barrera izquierda para de- jar pasar otro lote de antiprotones
Electrones fríos Potencial eléctrico Antiprotones capturados Electrodos Aluminio Antiprotones
FUNCIONAMIENTO DE LAS TRAMPAS ENCAJADAS DE MEZCLADO
Los positrones no se pueden recoger en el mismo pozo de potencial donde se acumula una nube de antiprotones, por lo que su trampa ha de encajarse dentro de la trampa de antiprotones.
Los antiprotones rebotan hacia adelante y atrás en los confines de un pozo de potencial grande y profundo, en cuyo centro se alza un montículo
Los positrones, por tener carga de signo contrario, “ven” invertido el potencial: para ellos, el mon- tículo es una depresión ubicada en la cima de un monte ancho La depresión atrapa a los posi- trones en la misma región del espacio que a los antiprotones, lo que permite la formación de átomos de antihidrógeno EL CAPTADOR DE ANTIPROTONES Y LA TRAMPA MEZCLADORA
El captador de antiprotones (a la izquierda) recoge pulsos de antiprotones procedentes del desacelerador (detalle a la izquierda). Cuando se han acumulado suficientes anti- protones, se los transfiere a la trampa de mezclado, que alberga también los positrones suministrados por el acumulador de positrones que se ve a la derecha; la mezcla de ambos componentes da lugar a antiátomos de hidrógeno (detalle central).
INVESTIGACIÓNY CIENCIA, agosto, 2005 59 Cabe imaginar el potencial de cada extremo como una rampa y el positrón como una bola lanzada rampa arriba. Los positrones que se muevan con lentitud suficiente lle- garán a detenerse, caerán rampa abajo y seguirán dentro de la trampa. Los antiprotones, de polaridad contraria, no verían en los extremos del cilindro rampas ascendentes, sino rampas cuesta abajo; por ellas descenderían hasta estrellarse contra las paredes materiales que contienen el vacío de la trampa, perdiéndose. Para atrapar los an- tiprotones habría que invertir el campo eléctrico, y por lo tanto el potencial.
Gabrielse y sus colaboradores idearon en 1988 la ma- nera de atrapar a la vez especies de polaridad opuesta: se pone una trampa somera para las partículas de una polaridad en el seno de otra trampa, más profunda, para partículas de la polaridad opuesta. La especie atrapada por las paredes exteriores ve un pozo profundo con un montículo elevado en el centro (imaginemos el fondo de una botella de vino). Recíprocamente, la otra espe- cie de partículas ve todos los potenciales invertidos: el montículo se torna una depresión en la cima, que las retiene. ATRAP y ATHENA se valen de estas trampas encajadas para mantener juntos sus positrones y anti- protones; ambas partículas coexisten en la región del montículo. El equipo de Gabrielse demostró la viabilidad de este sistema en 1996 con protones y electrones, y en 2001 con positrones y antiprotones.
Las colisiones entre las partículas conjuntamente atra- padas determinan que, en ocasiones, un positrón y un antiprotón sigan una misma trayectoria. El par de partí- culas no tardará en girar una alrededor de la otra: habrán constituido un átomo de antihidrógeno.
Detección
Una vez creados los átomos de antihidrógeno, han de abordarse dos problemas: el primero, la demostración de que esos átomos se encuentran de verdad ahí; el segundo, la rapidez con que ha de hacerse la detección, pues los átomos de antihidrógeno, al ser eléctricamente neutros, no quedan encerrados en ninguna de las dos trampas electromagnéticas encajadas. Los átomos, a la deriva, escapan de la trampa, a la velocidad que tuviesen cuando se los creó.
ATHENA se apoya en el segundo problema para re- solver el primero. Cuando los átomos en fuga tropiezan contra las paredes materiales del recipiente, se detienen. Casi inmediatamente, el positrón queda aniquilado al encontrarse con un electrón de alguno de los átomos de la pared, mientras un núcleo destruye el antiprotón. La primera reacción genera dos rayos gamma de una energía característica, 511 keV, que se propagan en direcciones opuestas; la segunda crea dos o tres partículas, llamadas mesones pi o piones. No resulta demasiado difícil detectar todas estas partículas. Cada vez que los detectores ob- servan que en un mismo punto de la pared, en el mismo instante, se originan rayos gamma de esa energía y piones, se sabe que se ha destruido un átomo de antihidrógeno y, por lo tanto, que había sido creado.
Pero no es tan sencillo. Algunas aniquilaciones de anti- protones producen una lluvia de positrones, que a su vez generan rayos gamma de 511 keV; de ellos, dos se pueden detectar. Los antiprotones solitarios pueden así remedar
VISTA AEREA
Fuente de sodio 22 y capa de neón sólido Imán solenoide Positrones Imanes ATHENA ASACUSA ATRAP Desacelerador 1 metro B R Y A N C H R IS T IE D E S IG N
CREACION Y DETECCION DE ANTIHIDROGENO FRIO
Antihidrógeno Pion Rayo gamma Pared de la trampa de mezclado Detector cristalino Detector de franja FUNCIONAMIENTO DEL DETECTOR
Los átomos de antihidrógeno que se forman en la tram- pa de mezclado, al ser eléctricamente neutros, se salen de la trampa e impactan en las paredes del recipiente. El antiprotón y el positrón quedan aniquilados allí; se producen piones de alta energía y un par de rayos gamma. Las capas de detectores de partículas que rodean la región de mezclado detectan estas emisiones. ACUMULADOR DE POSITRONES
Una fina película de neón sólido, primero, y las colisiones con el nitrógeno gaseoso, después, frenan los positrones emitidos por una fuente de sodio 22 (derecha). Una trampa de Penning captura los positrones frenados. Cuando se han acumulado suficientes positrones, se elimina el nitrógeno por bombeo y los positrones se transfieren a la trampa de mezclado.
la señal del antihidrógeno. Es necesario, pues, determinar la proporción de falsos positivos en los datos.
El grupo ATRAP se vale de una técnica muy distinta, que elimina el ruido de fondo. Sólo cuenta los átomos de antihidrógeno que por azar viajan a lo largo del eje de la trampa cilíndrica y que, también por azar, se encuentren débilmente ligados (los que viajen por otras direcciones o se encuentren en estados de ligadura más intensa no se detectan). Los antiátomos, neutros, atraviesan sin es- fuerzo una barrera de potencial muy alto, que bloquea los antiprotones no integrados en un antiátomo. A con- tinuación, los antiátomos entran en un campo eléctrico muy intenso, que arrancará a los que estén débilmente ligados su positrón y antiprotón. Por último, otra trampa electromagnética retiene los correspondientes antiprotones recién desnudados. Tras un período de recolección, se libera a los antiprotones y, al aniquilarse en las paredes cercanas, se los detecta.
Cuando en la trampa encajada no hay positrones, no se detectan antiprotones, lo que demuestra que los an- tiprotones solitarios no pueden remontar la barrera de potencial y llegar a la trampa más alejada. El recuento que se obtiene cuando sí hay positrones presentes es, pues, el recuento de los átomos neutros de antihidrógeno que casualmente estaban débilmente ligados y se des- plazaban en la dirección correcta. No hay que deducir ruido de fondo alguno.
Mediante una ingeniosa modificación, que añade un campo eléctrico oscilante, ATRAP logró en 2004 reunir
información sobre la velocidad con que se movían sus átomos de antihidrógeno. Dicho con otras palabras: sobre su temperatura. El resultado fue un tanto descorazonador: era de 2400 K, muy superior a los 4,2 K de los compo- nentes de la trampa, refrigerados con helio líquido. Para un estudio espectroscópico preciso de los antiátomos, tendría que hallarse muy por debajo de 0,5 K; si no fuera así, resultaría imposible encerrarlos en una trampa de átomos neutros y examinar su absorción de haces de láser de diversas frecuencias.