Antimateria bajo control: físicos atrapan un positrón durante meses

Por Oliver García

Un equipo de la Universidad Northwestern, en Estados Unidos, logró atrapar una sola partícula de antimateria, un positrón, y mantenerla bajo control durante meses sin que tocara la materia ordinaria. El resultado se publicó el 21 de octubre en la revista Physical Review Letters y abre la puerta a una de las pruebas más exigentes de la física moderna.

El logro importa porque la antimateria es extraordinariamente difícil de guardar: en cuanto una partícula toca su contraparte de materia, ambas se aniquilan y desaparecen en un destello de energía. Conservar un positrón durante meses permite estudiarlo con una precisión que antes no era posible y compararlo, propiedad por propiedad, con el electrón.

El positrón es la antipartícula del electrón: tiene la misma masa, pero carga eléctrica positiva. Según el comunicado de Northwestern, el equipo dirigido por el físico Gerald Gabrielse colocó la partícula en un estado cuántico controlado con tanta finura que se comporta como un «átomo artificial», con niveles de energía que los investigadores pueden manipular y observar.

Cómo se atrapa la antimateria sin tocarla

El problema es práctico: no existe un frasco capaz de contener un positrón, porque las paredes del recipiente lo destruirían. Para resolverlo, el laboratorio usó una trampa que combina campos eléctricos y magnéticos y mantiene la partícula suspendida en un vacío casi perfecto, en el centro del dispositivo y sin contacto con nada. El diario español ABC la describe como un recipiente sin paredes.

Atrapar la partícula fue el primer reto. Los positrones surgen de la desintegración radiactiva de ciertos núcleos; en este experimento se obtuvieron del sodio-22, un isótopo que los emite con muchísima energía. El equipo tuvo que frenar uno de ellos de forma drástica, guiarlo hasta la trampa y luego enfriarlo a unos 300 milikelvin, apenas 0.3 grados por encima del cero absoluto.

«Lo enfriamos tanto que está en su estado cuántico fundamental», explicó Gabrielse en el comunicado de la universidad. «Logramos que este positrón tan rápido se quedara quieto y se portara bien durante meses». El físico aclaró que el experimento no implica ningún peligro: la cantidad de antimateria es tan pequeña que no podría causar una explosión.

Además de retenerlo, los investigadores demostraron que pueden manipular y detectar sus estados de energía uno por uno. Para ello envían microondas sintonizadas con gran precisión, que le añaden cantidades mínimas de energía, y registran los saltos cuánticos resultantes. Esa capacidad de control es la base de lo que viene. El trabajo, titulado «One-positron quantum cyclotron», tuvo como primer autor al estudiante de doctorado Thomas Myers.

Por qué la antimateria podría revelar fallas en la física

El objetivo de fondo es poner a prueba el Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas fundamentales y tres de las cuatro fuerzas conocidas. Según esa teoría, el electrón y el positrón deberían ser imágenes casi perfectas en el espejo. Si al medir con extrema precisión las propiedades magnéticas del positrón aparece una diferencia con las del electrón, sería una grieta en el modelo.

Esa grieta ayudaría a responder una pregunta enorme: por qué el universo está hecho casi por completo de materia. «El gran misterio es que el Big Bang debió crear cantidades iguales de materia y antimateria», dijo Gabrielse. «Si eso fuera cierto, se habrían aniquilado y nos habríamos quedado sin nada. Claramente hay algo mal en esa teoría». En Maya ya contamos cómo la UNAM busca respuestas parecidas con los neutrinos, partículas muy difíciles de detectar.

El grupo de Gabrielse tiene experiencia en este tipo de mediciones. Con un sistema similar, pero con un solo electrón, midió el momento magnético de esa partícula con una precisión de alrededor de una parte en 10 billones, una de las mediciones más exactas jamás hechas sobre una partícula elemental, de acuerdo con Northwestern. El plan ahora es repetir la medición con el positrón y comparar ambos resultados.

Según Gabrielse, las teorías actuales sugieren que no habrá diferencia entre los dos números. «Si resulta que no son iguales, sería el mayor descubrimiento de la física en el último siglo», afirmó el investigador. Por ahora no hay fecha para esa comparación: el estudio publicado demuestra que la técnica funciona, no ofrece todavía la medición final.

Más allá de la física fundamental, la antimateria no es ciencia ficción. Los positrones se usan desde hace décadas en medicina, por ejemplo en la tomografía por emisión de positrones, conocida como PET, que ayuda a obtener imágenes del interior del cuerpo. La diferencia es que en esos equipos los positrones se aniquilan casi de inmediato; aquí se trata de conservar uno solo durante meses.

Lo que sigue es la medición de precisión del positrón y su comparación con la del electrón, un trabajo que puede tardar en dar resultados. Mientras tanto, la ciencia de partículas avanza también gracias a herramientas nuevas, como la inteligencia artificial que permite a la UNAM distinguir fuentes luminosas mil veces más rápido. La investigación de Northwestern recibió apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos.