Un vacío burbujeante y estridente llena el espacio cuántico, distorsionando la forma de cada átomo de hidrógeno en el universo. Y ahora sabemos que también distorsiona el bizarro gemelo antimateria del mundo: el antihidrógeno.
La antimateria es una sustancia poco conocida, rara en nuestro universo, que imita la materia casi a la perfección, pero con todas las propiedades invertidas. Por ejemplo, los electrones son pequeñas partículas de materia que llevan carga negativa. Sus gemelos antimateria son pequeños "positrones" que llevan una carga positiva. Combina un electrón y un protón (una partícula de materia cargada positivamente más grande) y obtienes un átomo de hidrógeno simple. Combine un positrón antimateria con un "antiprotón" y obtendrá antihidrógeno. Cuando la materia regular y la antimateria se tocan, la materia y las partículas de antimateria se aniquilan entre sí.
Actualmente, la antimateria parece ser el gemelo perfecto y antagónico de la materia, y uno de los grandes misterios de la física es la razón por la cual la materia llegó a dominar el espacio a medida que la antimateria se convirtió en un jugador importante en el universo. Encontrar alguna diferencia entre los dos podría ayudar a explicar la estructura del universo moderno.
El cambio Lamb fue un buen lugar para buscar ese tipo de diferencia, dijo Makoto Fujiwara, un físico canadiense de partículas afiliado al CERN y coautor del nuevo estudio, publicado el 19 de febrero en la revista Nature. Los físicos cuánticos han sabido sobre este extraño efecto cuántico, llamado así por el físico Willis Lamb de la Universidad de Arizona, desde 1947. En la primera conferencia importante de físicos estadounidenses de la posguerra, Lamb reveló que algo invisible dentro de los átomos de hidrógeno empuja sus partículas internas, creando una mayor brecha entre el protón y el electrón en órbita de lo que permitía la teoría nuclear existente.
"En términos generales, el cambio Lamb es una manifestación física del efecto del 'vacío'", dijo Fujiwara a Live Science. "Cuando normalmente piensas en el vacío, piensas en 'nada'. Sin embargo, según la teoría de la física cuántica, el vacío se llena con las llamadas 'partículas virtuales', que constantemente nacen y se destruyen ".
Ese misterioso burbujeo de breves partículas semirreales tiene impactos reales en el universo circundante. Y dentro de los átomos de hidrógeno crea una presión que separa las dos partículas unidas. El inesperado descubrimiento le valió a Lamb el Premio Nobel de física de 1955.
Pero aunque los físicos han sabido durante décadas que el cambio de Lamb alteró el hidrógeno, no tenían idea de si también afectaba al antihidrógeno.
Fujiwara y sus coautores querían averiguarlo.
"El objetivo general de nuestros estudios es ver si hay alguna diferencia entre el hidrógeno y el antihidrógeno, y no sabemos de antemano dónde puede aparecer esa diferencia", dijo Fujiwara a Live Science.
Para estudiar la pregunta, los investigadores recolectaron minuciosamente muestras de antihidrógeno usando el experimento de antimateria del Aparato de Física Láser Antihidrógeno (ALPHA) en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), el gigantesco laboratorio de física nuclear del continente. ALPHA tarda unas horas en generar una muestra de antihidrógeno lo suficientemente grande como para trabajar, dijo Fujiwara.
Suspende la sustancia en campos magnéticos que repelen la materia. Luego, los investigadores de ALPHA golpearon el antihidrógeno atrapado con luz láser para estudiar cómo interactúa la antimateria con los fotones, lo que puede revelar propiedades ocultas de los pequeños anti-átomos.
Repitiendo su experimento una docena de veces con diferentes muestras de antihidrógeno en diferentes condiciones, los investigadores de ALPHA no encontraron diferencias entre el cambio de Lamb en hidrógeno y el cambio de Lamb en antihidrógeno que sus instrumentos podían detectar.
"Actualmente, no existe una diferencia conocida entre las propiedades fundamentales del antihidrógeno y el hidrógeno regular", dijo Fujiwara. "Si encontramos alguna diferencia, incluso la más mínima, forzaría un cambio radical en la forma en que entendemos nuestro universo físico".
Aunque los investigadores aún no han encontrado ninguna diferencia, la física antihidrógeno todavía es un campo joven. Los físicos ni siquiera tenían muestras fácilmente estudiadas de las cosas hasta 2002, y ALPHA no comenzó a atrapar rutinariamente muestras de hidrógeno hasta 2011.
Este descubrimiento es un "primer paso", dijo Fujiwara, pero aún queda mucho por estudiar antes de que los físicos realmente entiendan cómo se comparan el hidrógeno y el antihidrógeno.
