Científicos cada vez más cerca de develar uno de los grandes misterios de la física

¿Por qué la materia del universo parece ser enormemente mayor a su antimateria?. Físicos de todo el mundo han venido trabajando desde hace tiempo para desentrañar este misterio. Ahora, un equipo internacional de científicos que está trabajando en el instituto Max Planck, han dado un paso importante en la develación de esta cuestión, ha logrado la medición más precisa del momento magnético del protón. Este nuevo resultado -en combinación con mediciones similares, proyectadas para el “doble negativo” del protón, el antiprotón - podría ayudar a explicar uno de los misterios más profundos de la física.

Los científicos conocen que cada partícula fundamental tiene una antipartícula casi idéntica con carga eléctrica opuesta. Las principales teorías de los físicos indican que las partículas y sus antipartículas fueron creadas en cantidades iguales durante el Big Bang, pero deberían haberse aniquilado entre sí hace mucho tiempo. Pero el universo está lleno de materia y antimateria, lo que sugiere que podría existir una diferencia entre ambos que no ha sido detectada aún.

Una pista posible acerca de esa diferencia podría estar en pequeñas discrepancias entre los momentos magnéticos de las partículas y sus correspondientes antipartículas. Cualquier diferencia sería la primera ruptura conocida de un principio fundamental al que los físicos llaman simetría carga-paridad-tiempo (CPT). En 2013 los investigadores que trabajaron en una trampa de antihidrógeno (ATRAP), un experimento realizado en el CERN, establecieron el récord comparativo más preciso entre los momentos magnéticos del protón y el antiprotón, pero no encontraron diferencias entre ambos.

Ahora los científicos están realizando una prueba aún más rigurosa de la simetría CPT. En este trabajo, publicado en la revista Nature, se utilizó un dispositivo cilíndrico llamado trampa Penning, el cual encierra un solo protón utilizando campos magnéticos y eléctricos.

El campo magnético de la trampa hace que el protón rodee el eje de un cilindro a una velocidad conocida como frecuencia de ciclotrón. Este campo también hace que la dirección de giro de precesión de la partícula sea como un trompo, pero con una frecuencia diferente. A partir de la relación de estas dos frecuencias, los científicos pueden calcular el momento magnético de la partícula.

La medición de la frecuencia del ciclotrón es relativamente fácil, pero la frecuencia de precesión es mucho más difícil de lograr. Por esta razón, el equipo ha iniciado su trabajo utilizando una técnica desarrollada por otro grupo de investigadores, en 2008, para medir con precisión el momento magnético del electrón. En este trabajo, los investigadores aplicaron un segundo campo magnético que provocó que la precesión del electrón cambie la forma en que oscila a lo largo del eje del cilindro.

Para aplicar esta técnica al momento magnético mucho más pequeño del protón, el equipo de investigación desarrolló una "trampa Penning doble". En una trampa de investigadores determinaron es estado del espín del protón, utilizando una técnica que reportaron en 2011. Luego se transportó el protón a una segunda trampa, donde se miden las frecuencias de ciclotrón y la oscilación de la partícula. Los investigadores repitieron el proceso miles de veces por más de cuatro meses, determinando finalmente el momento magnético del protón con una precisión de poco más de tres partes en un billón. Esta cifra es alrededor de 760 veces más precisa que lo que el grupo ATRAP logró en 2012.

Los científicos del ATRAP felicitaron esta medición, pero señalaron que sin la medición del momento magnético de los antiprotones, los físicos están lejos de comprender el dominio de la materia.

Sin embargo, Klaus Blaum, líder de la investigación, indicó que su equipo pronto logrará esa medida. Señalan que, en apróximadamente un año, se debe saber si el momento magnético del antiprotón se diferencia de la del protón con la misma precisión que han alcanzado hasta ahora. Pero, Blaum cree que no habrá diferencias entre ambos momentos magnéticos.