Científicos atrapan y controlan una sola partícula de antimateria durante meses

MADRID, 21 Oct. (EUROPA PRESS) -

Por primera vez, físicos de la Universidad Northwestern (Estados Unidos) han logrado que un solo positrón (la antipartícula de un electrón) alcance un estado cuántico exquisitamente controlado, tal y como se publica en la revista 'Physical Review Letters'.

Tras capturar la partícula de rápido movimiento proveniente de la desintegración radiactiva, los científicos la enfriaron hasta casi el cero absoluto. Posteriormente, la suspendieron en un vacío casi perfecto, impidiendo que entrara en contacto con la materia ordinaria, un encuentro que la haría desaparecer.

Al atrapar y enfriar un positrón de esta manera, los científicos crearon lo que denominan un "ciclotrón cuántico de un positrón". En este estado, el positrón se comporta esencialmente como un átomo artificial con niveles de energía cuántica que los científicos pueden controlar y observar con precisión.

Este avance podría permitir, en última instancia, la prueba más precisa hasta la fecha de una simetría fundamental entre los electrones y sus antipartículas. Según el Modelo Estándar de la física de partículas, los electrones y los positrones deberían ser imágenes especulares casi perfectas. Al medir las propiedades magnéticas del positrón con una precisión sin precedentes y compararlas con las del electrón, los físicos podrían someter esta simetría fundamental a la prueba más rigurosa hasta el momento. Si las mediciones no coinciden como se espera, revelarían una fisura en el Modelo Estándar, ofreciendo nuevas pistas para resolver misterios persistentes, como por qué la materia ordinaria, en lugar de la antimateria, domina el universo.

"La antimateria debe su popularidad a la ciencia ficción", comenta Gerald Gabrielse, de la Universidad Northwestern, quien dirigió el estudio. "Si se hace colisionar un electrón con un antielectrón (o positrón), ambos desaparecen. A esto lo llamamos aniquilación, un concepto que alimenta la imaginación de los escritores de ciencia ficción. El gran misterio del universo es que el Big Bang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria. Pero, si eso fuera cierto, se aniquilarían y no nos quedaría nada. Claramente hay algo erróneo en esa teoría, y eso es lo que estamos tratando de averiguar".

Gabrielse es profesor titular de física en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern, donde dirige el Centro de Física Fundamental. Thomas Myers, estudiante de doctorado en el laboratorio de Gabrielse, es el primer autor del artículo.

El Modelo Estándar, una teoría de larga data, describe las partículas fundamentales y tres de las cuatro fuerzas fundamentales (electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil) del universo. Numerosos experimentos han confirmado las predicciones del modelo con extraordinaria precisión. Sin embargo, los físicos saben que el modelo es incompleto. Entre sus limitaciones, no puede explicar por qué el universo observable contiene muchísima más materia que antimateria.

"Sabemos que el Modelo Estándar tiene que estar equivocado en algún punto, o al menos incompleto", comenta Gabrielse. "Por ejemplo, no puede predecir por qué existe el universo, así que eso representa una laguna importante. Estamos examinando con gran precisión los sistemas más fundamentales y simples para descubrir dónde falla la teoría. Esperamos encontrar una respuesta inequívoca".

Gabrielse ha dedicado décadas de su carrera a buscar esa respuesta. Su equipo desarrolló previamente técnicas para aislar un solo electrón y medir sus propiedades magnéticas con extraordinaria precisión. También fue pionero en métodos para ralentizar, capturar y enfriar antiprotones, contribuyendo así al surgimiento del campo de la investigación de la antimateria de baja energía. Ahora, este nuevo trabajo aúna estas dos líneas de investigación: aplicar el control cuántico logrado con electrones a una sola partícula de antimateria.

Casi todo en la Tierra está compuesto por solo tres partículas conocidas: electrones, protones y neutrones. Un universo de antimateria, en cambio, podría estar formado por sus contrapartes de antimateria: positrones, antiprotones y antineutrones. De hecho, si todo en la Tierra fuera de antimateria, Gabrielse insisten en que sería extraordinariamente difícil distinguirlo.

Los fuegos artificiales ocurren cuando los dos mundos se encuentran. Cuando un electrón se topa con un positrón, ambos se aniquilan. Esto significa que los científicos no pueden simplemente colocar un positrón en un recipiente convencional. El simple contacto con el recipiente provocaría, casi con toda seguridad, la destrucción de la partícula.

"Si queremos estudiar la antimateria, debemos manejarla con cuidado", expone Gabrielse. "Para que quede claro, no es peligrosa. No tenemos suficiente antimateria como para provocar una explosión".

Para manipular cuidadosamente la partícula, el equipo de Northwestern utilizó una trampa de última generación que combina campos eléctricos y magnéticos especializados para suspender el positrón en un espacio vacío. Al estar situado en el centro del contenedor, el positrón nunca toca nada. Gracias a este sistema, el positrón en el laboratorio de Gabrielse ha permanecido atrapado durante meses.

Capturar el positrón fue todo un desafío. Los positrones se producen durante la desintegración radiactiva de ciertos núcleos atómicos. En este experimento, Gabrielse utilizó núcleos de sodio-22, un isótopo radiactivo poco común del sodio. Cuando las partículas emergen de los núcleos, transportan enormes cantidades de energía.

El equipo primero ralentizó drásticamente el positrón y luego lo guio hacia el vacío casi perfecto de la trampa. El interior de la trampa se enfría a unos 300 milikelvin, o tan solo 0,3 grados por encima del cero absoluto. "Lo enfriamos tanto que se encuentra en su estado fundamental cuántico", matiza Gabrielse. "De hecho, logramos que este positrón, que se mueve a gran velocidad, permaneciera allí y se comportara de esa manera durante meses".

Gabrielse y su equipo también demostraron que podían manipular y detectar con precisión los estados de energía cuántica individuales del positrón. Mediante la aplicación de microondas cuidadosamente ajustadas, añadieron cantidades minúsculas y precisas de energía al positrón y detectaron las transiciones cuánticas resultantes. Este nivel de control es esencial para el objetivo final de los científicos: medir las propiedades magnéticas del positrón con una precisión extraordinaria y compararlas con las de un electrón.

En trabajos anteriores, Gabrielse y su equipo utilizaron un ciclotrón cuántico de un electrón para medir el momento magnético del electrón con una precisión de aproximadamente una parte en 10 billones, una de las mediciones más precisas jamás realizadas de una partícula elemental. Con la antimateria atrapada, Gabrielse planea ahora realizar el mismo tipo de medición cuántica con un positrón y, posteriormente, comparar ambos resultados.

"Las teorías actuales sugieren que no habrá diferencia entre las dos mediciones", incide Gabrielse. "Si resulta que no son iguales, sería el mayor descubrimiento en física del último siglo". El estudio, titulado 'Ciclotrón cuántico de un positrón', fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (subvención número 2110565).