Físicos de la Universidad de Northwestern han logrado un hito sin precedentes en la física de partículas: han atrapado un único positrón, la antipartícula del electrón, durante un mes entero en un estado cuántico estable. Este logro, reportado en la revista Physical Review Letters, marca un avance crucial en la búsqueda de la explicación de por qué el universo observable está compuesto casi exclusivamente de materia y no de antimateria, una asimetría que los modelos estándar de física de partículas no logran explicar por completo. La antimateria, por definición, es extremadamente difícil de manipular, ya que en el instante en que entra en contacto con la materia ordinaria, ambas se aniquilan mutuamente liberando una enorme cantidad de energía. Para evitar la destrucción de los equipos y permitir el estudio, los científicos deben utilizar cámaras de vacío y campos electromagnéticos para suspender las partículas en un aislamiento perfecto, un reto que hasta ahora limitaba las investigaciones a observaciones breves y de baja precisión.
El equipo, liderado por el físico Gerald Gabrielse, desarrolló un dispositivo conocido como 'ciclotron cuántico de un solo positrón'. El proceso comienza con el uso de átomos de sodio-22, un isótopo radiactivo con una vida media de aproximadamente dos años y medio. Cuando estos átomos se desintegran, emiten positrones. El primer paso técnico consiste en enviar estas partículas a través de la rejilla cristalina de un trozo de tungsteno frío. A medida que los positrones viajan a través del material, chocan con los átomos y pierden energía, un proceso que reduce drásticamente la probabilidad de aniquilación. Si la partícula logra atravesar el material sin ser destruida, es expulsada hacia el vacío.
Una vez en el vacío, a una temperatura de apenas tres décimas de grado por encima del cero absoluto, los físicos utilizan campos eléctricos en la parte superior e inferior y campos magnéticos en los laterales para contener al positrón. Como explica Gabrielse, 'si quieres mantener la antimateria, tienes que contenerla en un recipiente sin paredes'. Este método permite aislar y estudiar un positrón solitario durante meses, permitiendo realizar mediciones repetidas y de alta precisión que antes eran imposibles. A diferencia de otros métodos en física de partículas que a menudo destruyen la partícula al medir sus propiedades, este enfoque permite mantener al antipartícula en su estado de menor energía, induciendo cambios controlados en su comportamiento cuántico.
El objetivo principal de este experimento es medir con extrema precisión el momento magnético del positrón, es decir, la fuerza y la orientación de su campo magnético. Para ello, los investigadores deben determinar dos valores clave: la energía necesaria para invertir la dirección del spin del positrón y la energía requerida para que salte de su estado fundamental a su primer estado excitado. Según la American Physical Society, este nuevo dispositivo podría permitir mediciones de partículas de antimateria aproximadamente 30 veces más precisas que las que los científicos eran capaces de realizar previamente. Aunque los electrones han sido medidos con una precisión de una parte en 10 billones, el desafío con los positrones ha sido significativamente mayor debido a su naturaleza de carga positiva y su interacción distinta con los campos electromagnéticos.
El contexto de esta investigación es fundamental para resolver la 'asimetría bariónica'. Según el modelo estándar, justo después del Big Bang, se crearon cantidades casi iguales de materia y antimateria. La mayoría de ambas se aniquiló, pero un pequeño exceso de materia quedó para sembrar las estrellas y planetas que vemos hoy. Si la antimateria y la materia son perfectamente idénticas en todas sus propiedades, esta asimetría no tendría explicación física conocida. Sin embargo, si se demuestra que el positrón tiene un momento magnético diferente al del electrón, o que responde a los campos magnéticos de manera distinta, esto proporcionaría una pista crucial sobre cómo la materia ganó la batalla contra la antimateria en el universo primitivo.
Roni Harnik, físico teórico del Fermi National Accelerator Laboratory, quien no participó en el proyecto, destaca la importancia de este hallazgo. 'Nuestros modelos más básicos dicen que la física permanece inalterada si miramos a través de un espejo o invertimos el tiempo', afirma Harnik. 'Si resulta que las cosas son diferentes, tendríamos una pista sobre cómo la materia prevaleció'. Aunque hasta la fecha el experimento no ha revelado diferencias inesperadas, el logro principal es la mejora drástica en la capacidad de detectar estas sutiles discrepancias. Este avance no solo valida las predicciones del modelo estándar, sino que abre la puerta a futuras investigaciones que podrían reescribir las leyes fundamentales que explican la estructura de la materia y la antimateria, ofreciendo una nueva ventana a los misterios más profundos de la cosmología y la física de partículas.