En la trampa: nuevo método para enfriar partículas cargadas

Sistema formado por dos trampas Penning conectadas a un circuito eléctrico resonante que transmite la potencia de enfriamiento de los iones refrigerados por láser

27.08.2021 - Alemania

Por primera vez, los físicos han logrado realizar con éxito un nuevo método para enfriar protones utilizando iones enfriados por láser, en este caso iones de berilio. La característica innovadora del nuevo sistema es que los dos tipos de partículas se encuentran en trampas espacialmente separadas. Esto significa que ahora es posible proporcionar el efecto de enfriamiento con la ayuda de un circuito eléctrico resonante a lo largo de una distancia de nueve centímetros de una trampa a la otra. El equipo del clúster de excelencia PRISMA⁺ de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU), que forma parte de la colaboración BASE, pudo demostrar que los protones pueden enfriarse a temperaturas significativamente más bajas en una de las trampas de lo que sería posible sin el berilio. La nueva técnica puede utilizarse para todas las partículas cargadas, incluso los antiprotones, para los que no existe ningún otro método de enfriamiento en este rango de temperaturas. Lo más emocionante es que ahora debería ser posible realizar experimentos en los que la materia y la antimateria puedan compararse con mayor precisión. Los resultados de la investigación se han publicado en la revista científica Nature. Además de la JGU, el Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg (MPIK) y el centro de investigación japonés RIKEN también han participado de forma significativa en el nuevo desarrollo, así como la Organización Europea de Investigación Nuclear CERN, el GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung de Darmstadt y la Universidad Leibniz de Hannover.

Para poder realizar mediciones precisas de iones individuales, éstos deben ser capturados y almacenados en una trampa en la que se mantienen lo más inertes posible. Para conseguir este estado, se elimina la energía de las partículas cargadas, lo que reduce su temperatura. Con la nueva estructura de dos trampas, el equipo de investigación pudo reducir la temperatura en un factor de 10 aproximadamente en comparación con la alcanzada utilizando los mejores métodos anteriores de enfriamiento de protones, logrando así una temperatura cercana al cero absoluto. "Cuanto más baja sea la temperatura de la partícula, más precisamente podremos restringir el espacio en el que se encuentra la partícula dentro de la trampa. Y cuanto más exactamente podamos localizar la partícula, mejores serán las condiciones de partida y, por consiguiente, también los resultados de nuestras mediciones de precisión", explica el Dr. Christian Smorra, físico del Clúster de Excelencia PRISMA⁺ y coautor de la publicación.

Matar dos pájaros de un tiro

El nuevo método de enfriamiento con dos trampas tiene aún más ventajas: También puede utilizarse para partículas de antimateria, ya que en un sistema de refrigeración de una sola trampa, la materia y la antimateria se destruirían inmediatamente. El nuevo concepto permitirá una comparación más precisa de protones y antiprotones. "Queremos buscar específicamente cualquier diferencia entre las propiedades de los protones y los antiprotones. Nuestra teoría dice que las dos partículas se comportan de forma idéntica, siendo la única distinción las cargas opuestas. Todavía no está claro por qué nuestro universo contiene tantos protones -y por tanto materia- pero casi ningún antiprotón, es decir, antimateria", señala Matthew Bohman, del MPIK, primer autor del estudio. Bohman lleva trabajando en el desarrollo del nuevo método de enfriamiento en Maguncia desde 2018, cuando estudiaba para su doctorado.

Mientras que los métodos anteriores requerían distancias de 0,1 milímetros o menos entre las partículas a enfriar y los iones de berilio, la investigación actual ha demostrado que, de hecho, es posible transmitir el efecto de enfriamiento a pesar de la separación espacial en una distancia de nueve centímetros. Esto sienta las bases para otros proyectos de investigación y permite, por ejemplo, realizar mediciones de frecuencia ininterrumpidas y más precisas, que la colaboración BASE planea llevar a cabo en el caso de la antimateria en el contexto de la búsqueda de la materia oscura. El grupo de investigación ya había investigado antiprotones atrapados en una sola trampa durante experimentos anteriores en el CERN - sin embargo, esto se hizo enfriándolos con helio líquido y sin emplear iones de berilio.

"Un desarrollo prácticamente factible"

El método de dos trampas se propuso por primera vez en 1990. El concepto de entonces no incluía un circuito eléctrico resonante, sino que los iones debían estar conectados por un electrodo de trampa común. La ventaja de este procedimiento era que no existía ninguna resistencia, como la causada por el circuito resonante, que produce calor y perjudica el proceso de enfriamiento. El gran inconveniente, sin embargo, es la baja velocidad a la que se intercambia la energía de los iones. Como resultado, la temperatura de la partícula cargada no disminuye con la suficiente rapidez. "El sistema actual representa un desarrollo prácticamente factible del concepto que data de 1990. En este caso, el intercambio de energía entre las trampas se produce en un segundo en lugar de tardar dos minutos", subraya el Dr. Christian Smorra.

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