Esta semana fue publicado por cincuenta y ocho co-autores el primer artículo mostrando el enfriamiento láser de átomos de antihidrógeno (Ver: C. J. Baker et al., Nature, 2021; 592 (7852): 35). Este es un gran logro científico realizado por el grupo de colaboración ALPHA en el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN).
Este trabajo pone de manifiesto el avance de la ciencia a partir de resultados obtenidos hace años o décadas en física de láseres y en antimateria. Recordemos que la construcción del primer rayo láser se dio en 1960 por Theodore H. Maiman en los Laboratorios Hughes en Estados Unidos basado en el trabajo teórico de los científicos norteamericanos Charles Townes y Arthur Schawlow, así como del ruso Nikolay Basov.
Por otra parte, los estudios teóricos de Paul Dirac en 1928 le permitieron, a partir de una famosa ecuación por él propuesta y que hoy lleva su nombre, predecir la existencia de antipartículas. Pocos años después, en 1932, Carl David Anderson descubrió la primera antipartícula, el antielectrón también llamado positrón.
La antimateria se construye con antipartículas. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno normal está formado por un protón positivo y un electrón negativo, mientras que un átomo de antimateria de antihidrógeno estará formado por un antiprotón negativo y un antielectrón positivo. Sin embargo, no fue sino hasta 1965 en que por primera vez se pudo hablar propiamente de antimateria, esto es, de “materia” compuesta por antipartículas, cuando dos equipos consiguieron crear un anti deuterón, una antipartícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón. La antipartícula fue lograda en el Acelerador Protón Sincrotrón del CERN, a cargo de Antonino Zichichi, y paralelamente por Leon Lederman, en el acelerador AGS (Alternating Gradient Synchrotron) del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York, Estados Unidos. En 1995, el CERN anunció la creación de nueve átomos de antihidrógeno en el experimento PS210, liderado por Walter Oelert y Mario Macri.
Estos experimentos son extraordinariamente difíciles pues cada que una partícula encuentra a su antipartícula, estas se desintegran emitiendo un brevísimo pulso de energía en forma de rayos Gama.
Por otra parte, el enfriamiento de materia, en su más básica escala, está relacionado con la ausencia de movimiento. Tomemos como ejemplo el agua. En su más básica escala el agua está formada por moléculas de H2O. El comportamiento de estas moléculas está relacionado con la temperatura a la cual se encuentran. Por ejemplo en el estado gaseoso cuando tenemos agua hirviendo a cien grados centígrados o más, las moléculas de agua en forma de vapor se desplazan con gran velocidad en el aire, mientras que en el estado líquido las moléculas de agua se desplazan entre sí pero sin perder contacto entre ellas además de que el medio líquido se encuentra a una temperatura mayor que cero grados y menor que cien grados, y finalmente en el estado sólido a una temperatura menor a cero grados, el agua toma el estado sólido del hielo y las moléculas de agua no se pueden mover del lugar en que se encuentran sino solamente vibrar.
En resumen, podemos ver que a menos de cero grados las moléculas de agua solo vibran, mientras que, a temperaturas mayores de cero grados pero menores de cien grados, las moléculas de agua fluyen en el líquido y se mueven con facilidad, mientras que a temperaturas mayores a cien grados las moléculas gaseosas de agua se mueven en el aire con extrema rapidez. Podemos preguntar ¿qué ocurre si seguimos enfriando y disminuyendo la temperatura del agua? La respuesta es que hay un límite teórico inferior de temperatura en el cual no hay en absoluto ningún movimiento. Esta temperatura se encuentra a menos 273.13 grados centígrados, o cero grados Kelvin de la llamada escala absoluta de temperatura.
Lograr inmovilizar totalmente a un átomo o un grupo de átomos, implica que estas partículas han alcanzado el cero absoluto de temperatura. Para hacer esto se hace uso de la estructura cuántica de la luz la cual está constituida por partículas energéticas llamadas fotones. Estas partículas de luz tienen la capacidad de transferir momentum al incidir en partículas materiales como los átomos.
Por tanto, si en una “trampa de átomos” se introducen partículas y estas son simétricamente irradiadas por fotones provenientes de haces láser que inciden desde diversos puntos con simetría esférica y además estos haces láser están perfectamente sintonizados y sincronizados, es entonces posible llevar a un átomo, o a un grupo de átomos, al cero absoluto de temperatura o muy cerca de él. De hecho, en 1997 los investigadores Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips recibieron el premio Nobel de física por haber logrado por primera vez esta hazaña científica. Ahora, varias décadas después -como se menciona al inicio de este artículo- finalmente se logró el enfriamiento de anti átomos.
Esto permite realizar mediciones en antimateria y verificar nuestras más fundamentales teorías científicas.