Físicos mantienen atrapado un positrón de antimateria durante meses

Un equipo de físicos de la Universidad Northwestern, en Estados Unidos, ha conseguido mantener aislado durante meses un solo positrón —la antipartícula del electrón—, enfriarlo hasta rozar el cero absoluto y controlar sus estados cuánticos individuales. El resultado convierte una partícula de antimateria extremadamente difícil de manejar en una especie de laboratorio microscópico donde será posible comparar materia y antimateria con una precisión hasta ahora fuera de alcance.

El avance, publicado en Physical Review Letters, recibe un nombre bastante menos cinematográfico que la hazaña: ciclotrón cuántico de un positrón. No significa que los científicos hayan encontrado la explicación definitiva de por qué existe nuestro universo ni que dispongan de un frasco lleno de antimateria —la ciencia ficción tendrá que esperar—. Lo que han logrado es más concreto y, para la física fundamental, quizá más importante: conservar una única antipartícula, llevarla a su estado cuántico de mínima energía y manipularla sin destruirla.

Una partícula que desaparece en cuanto toca materia

El positrón tiene la misma masa que un electrón, pero carga eléctrica positiva. Es antimateria. El problema comienza en cuanto se encuentra con su equivalente de materia: electrón y positrón pueden aniquilarse y transformar su masa en energía.

De ahí que guardar antimateria no se parezca demasiado a conservar una muestra en un tubo de ensayo. El recipiente sería precisamente uno de sus enemigos. El equipo dirigido por el físico Gerald Gabrielse recurrió a una trampa de Penning, un dispositivo que combina intensos campos magnéticos y eléctricos para mantener la partícula suspendida en el vacío, sin contacto físico con las paredes.

La imagen es bastante extraña: una partícula diminuta, invisible, permaneciendo durante meses en mitad de un espacio prácticamente vacío mientras los investigadores vigilan su comportamiento. No hay pinzas microscópicas ni una cápsula de cristal. Hay campos electromagnéticos haciendo de paredes que no existen.

El positrón utilizado en el experimento procede de la desintegración radiactiva del sodio-22. Al producirse, sale despedido con demasiada energía para quedar atrapado fácilmente, así que los investigadores tuvieron primero que frenarlo, conducirlo hacia la trampa y enfriar el dispositivo hasta aproximadamente 300 milikelvin, apenas 0,3 grados por encima del cero absoluto.

De una partícula veloz a un sistema cuántico controlable

Mantener el positrón durante meses sería ya una proeza experimental, pero no es realmente la parte que más interesa a los físicos. El salto está en conseguir que pueda estudiarse con el mismo refinamiento que un electrón y controlar su comportamiento cuántico de manera estable.

Dentro del potente campo magnético de la trampa, el positrón describe un diminuto movimiento circular, el llamado movimiento ciclotrón. Al enfriarlo hasta su estado cuántico fundamental, el equipo consiguió controlar las distintas cantidades discretas de energía que puede adoptar.

Después llegaron las microondas. Mediante pulsos cuidadosamente ajustados, los investigadores consiguieron elevar el positrón entre distintos niveles de energía, un cuanto cada vez, y detectar esas transiciones sin destruir el estado que pretendían observar. También pueden seguir cambios asociados al espín, una propiedad cuántica intrínseca de la partícula.

En términos menos académicos: no se han limitado a encerrar la partícula. Han conseguido que permanezca fría, estable y suficientemente controlada como para hacerle preguntas extremadamente precisas. Y en física, a veces una sola partícula bien observada cuenta más que millones estudiadas con menor precisión.

El objetivo es comparar materia y antimateria como nunca antes

El experimento está diseñado para medir el momento magnético del positrón, una propiedad que describe cómo responde la partícula a un campo magnético. Su equivalente en el electrón figura entre las magnitudes físicas medidas con mayor precisión por la ciencia.

El grupo de Gabrielse lleva décadas perfeccionando estas técnicas. Sus experimentos con electrones han alcanzado niveles extraordinarios de precisión y la nueva plataforma debería permitir llevar el positrón a un terreno comparable, mejorando de forma notable las mediciones anteriores basadas en un movimiento ciclotrón clásico.

Eso permitirá realizar una comparación extremadamente delicada. Según las teorías actuales, electrón y positrón deben tener propiedades fundamentales perfectamente relacionadas: misma masa, cargas opuestas y momentos magnéticos que respeten la correspondiente simetría entre partícula y antipartícula.

Una diferencia, por pequeña que fuese pero estadísticamente sólida, sería un problema mayúsculo para algunas de las ideas que sostienen la física moderna. No una anécdota de laboratorio, sino una posible señal de física más allá del Modelo Estándar.

Una prueba especialmente dura para la simetría CPT

En el centro del experimento aparece la llamada simetría CPT, una pieza básica de la física cuántica moderna. Las letras corresponden, de forma simplificada, a tres transformaciones: intercambiar partículas por antipartículas, invertir las coordenadas espaciales y cambiar la dirección del tiempo.

Las teorías cuánticas de campos sobre las que descansa el Modelo Estándar exigen que determinadas propiedades de una partícula y su antipartícula coincidan cuando se realizan esas transformaciones. Por eso comparar con enorme precisión electrones y positrones constituye una prueba particularmente limpia.

El nuevo ciclotrón abre el camino hacia una prueba mucho más exigente de la invariancia CPT en los leptones mediante este tipo de mediciones. El experimento todavía no ofrece esa comparación definitiva: demuestra que la herramienta necesaria para realizarla funciona. Una diferencia importante, porque en ciencia construir la balanza precede a pesar aquello que puede acabar cambiando el manual de física.

Por qué la antimateria sigue desconcertando a los físicos

La antimateria no es una extravagancia inventada para alimentar motores de naves espaciales. Los positrones existen en la naturaleza y aparecen, entre otros procesos, en ciertas desintegraciones radiactivas y fenómenos de alta energía. El problema serio está en otra parte.

Las leyes conocidas describen una relación extraordinariamente simétrica entre materia y antimateria, pero el universo observable está abrumadoramente dominado por materia. Estrellas, planetas, galaxias, personas y la taza de café que sobrevive sobre una mesa de laboratorio están hechas básicamente de materia corriente.

Explicar cómo apareció ese desequilibrio es uno de los grandes problemas abiertos de la física. El Modelo Estándar funciona con una precisión exasperante —para alegría y desesperación de quienes buscan grietas—, pero no proporciona por sí solo una explicación suficiente de la enorme asimetría cósmica entre materia y antimateria.

Conviene no dar un salto mayor que el experimento. Una discrepancia entre el electrón y el positrón no explicaría automáticamente el origen del desequilibrio, ni este trabajo afirma haber resuelto el enigma del universo. Sí podría revelar que alguna de las simetrías consideradas fundamentales falla en un nivel hasta ahora invisible, obligando a buscar una teoría más amplia.

La antimateria atrapada no supone ningún peligro

La palabra antimateria lleva décadas arrastrando una reputación explosiva gracias a novelas, películas y unas cuantas naves ficticias. La realidad experimental es bastante menos aparatosa: el equipo trabaja con un solo positrón.

La cantidad de antimateria implicada es tan extraordinariamente pequeña que no supone un riesgo de explosión. Lo difícil no es contener una energía devastadora, sino evitar que esa única partícula se encuentre con materia ordinaria y desaparezca antes de que pueda medirse.

El desafío, por tanto, es experimental y no apocalíptico. Conseguir que una antipartícula permanezca meses suspendida permite repetir mediciones, comprobar errores sistemáticos y estudiar estados cuánticos que hasta hace poco resultaban extraordinariamente difíciles de mantener bajo control.

Una partícula diminuta frente a una pregunta gigantesca

El siguiente objetivo será utilizar este dispositivo para obtener una medición del momento magnético del positrón con una precisión comparable a la alcanzada para el electrón. Después llegará la comparación directa. Ahí estará la prueba decisiva.

Lo esperable, según el Modelo Estándar, es que ambos resultados encajen. Y quizá lo hagan. La física experimental también consiste en dedicar años a construir máquinas extraordinarias para comprobar que una teoría sigue teniendo razón hasta cifras decimales casi absurdas. Pero cuanto más estrecho es el margen de error, menos sitio queda para que una posible nueva física permanezca escondida.

Por ahora no se ha descifrado el misterio de la antimateria ni se ha encontrado la grieta que explique por qué el cosmos terminó lleno de materia. Se ha conseguido algo previo y fundamental: mantener durante meses un positrón aislado, frío y controlable, observar sus saltos cuánticos y disponer de una herramienta capaz de enfrentar materia y antimateria en uno de los exámenes más exigentes realizados hasta la fecha. Para una partícula que desaparece en cuanto toca el mundo ordinario, quedarse quieta tanto tiempo ya es bastante revolución.