Físicos de la Universidad Northwestern lograron atrapar una sola partícula de antimateria, un positrón, y mantenerla bajo control durante meses. El experimento permitió además manipular sus estados cuánticos uno por uno, un avance que podría ayudar a realizar una de las pruebas más precisas sobre una de las simetrías fundamentales de la física.
El positrón es la contraparte de antimateria del electrón. Cuando ambos entran en contacto, se aniquilan y desaparecen. Por ello, los investigadores no podían colocar la partícula en un recipiente convencional. En su lugar, utilizaron una trampa que combina campos eléctricos y magnéticos para mantenerla suspendida en el vacío, sin tocar ninguna superficie, según el estudio publicado en Physical Review Letters.
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Una partícula aislada cerca del cero absoluto
El equipo dirigido por el físico Gerald Gabrielse obtuvo los positrones a partir de la desintegración radiactiva del sodio-22. Estas partículas aparecen inicialmente con una enorme cantidad de energía, por lo que los investigadores tuvieron que reducir drásticamente su velocidad antes de introducir una de ellas en la trampa.
Con la fuente utilizada, este proceso puede tomar entre 8 y 11 horas. Una vez atrapado, el positrón fue enfriado hasta alcanzar unos 0,3 grados sobre el cero absoluto y llevado a su estado cuántico fundamental, el nivel de energía más bajo posible.
"Lo enfriamos tanto que queda en su estado cuántico fundamental. En realidad, logramos convencer a este positrón, que se movía muy rápido, de quedarse allí y comportarse durante meses", explicó Gabrielse.
La instalación fue bautizada por los científicos como un ciclotrón cuántico de un positrón. Gracias a ella, la partícula pudo permanecer aislada durante meses sin entrar en contacto con materia ordinaria.
Microondas para controlar sus estados cuánticos
Los investigadores también consiguieron manipular con precisión los diferentes estados de energía del positrón. Para hacerlo, utilizaron microondas ajustadas cuidadosamente, con las que podían darle pequeñas cantidades de energía y observar cómo cambiaba de un estado cuántico a otro.
El equipo también pudo modificar el espín de la partícula y detectar estos cambios mediante pequeñas variaciones en la frecuencia de sus oscilaciones. Estas señales permitieron, además, comprobar que había un solo positrón dentro de la trampa.
Este nivel de control abre el camino para realizar una medición extremadamente precisa de las propiedades magnéticas del positrón y compararlas con las del electrón.
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Una prueba para buscar fallas en el Modelo Estándar
El objetivo final de Gabrielse y su equipo es comprobar si las propiedades magnéticas de ambas partículas coinciden, como predice el Modelo Estándar. Según esta teoría, los electrones y los positrones deberían ser imágenes especulares prácticamente perfectas.
Una diferencia entre ambas mediciones podría indicar que el modelo está incompleto y aportar nuevas pistas sobre uno de los grandes misterios del universo: por qué existe mucha más materia que antimateria, pese a que el Big Bang debería haber producido cantidades iguales.
"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 quedaría nada. Claramente hay algo que está mal en esa teoría, y eso es lo que estamos tratando de descubrir", afirmó Gabrielse.
El físico añadió que las teorías actuales no predicen ninguna diferencia entre las mediciones. "Si resulta que no son iguales, sería el mayor descubrimiento de la física en el último siglo", sostuvo.
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