Logran mantener una partícula de antimateria en estado cuántico para poner a prueba las leyes del universo

Físicos crearon por primera vez un ciclotrón cuántico con un solo positrón y aprendieron a controlar estados cuánticos individuales de esta partícula de antimateria. Un positrón aislado se puede almacenar en la trampa durante meses, trasladarlo entre niveles de energía y detectar inversiones de su espín. Los autores esperan, que el nuevo aparato permita comparar materia y antimateria con mucha mayor precisión y poner a prueba uno de los principios fundamentales de la física moderna.

El positrón es la antipartícula del electrón: ambas partículas tienen la misma masa pero cargas eléctricas opuestas. A los físicos les interesa especialmente su momento magnético, es decir, cómo se comportan el electrón y el positrón en un campo magnético. Según el Modelo Estándar, los momentos magnéticos deben coincidir en magnitud y diferir en el signo. Si mediciones precisas mostraran una discrepancia sostenida, los físicos tendrían que buscar una explicación fuera de la teoría actual.

Detrás de esta comparación está la simetría CPT. En forma simplificada, el principio exige que las leyes de la física no cambien si se sustituyen las partículas por antipartículas, se refleja el espacio en un espejo y se invierte la dirección del tiempo simultáneamente. Por eso el electrón y el positrón ofrecen a los físicos una forma especialmente limpia de comprobar hasta qué punto la naturaleza respeta esta regla.

El principal problema no resultó ser la medición, sino transportar el positrón único hasta una región extremadamente aislada del aparato. Los físicos obtienen las partículas de sodio-22 radioactivo con energías de hasta 546 keV, y luego las frenan en más de diez órdenes de magnitud en energía. Al final del recorrido el positrón entra en la trampa de Penning, donde campos eléctricos y magnéticos impiden que la partícula cargada toque las paredes.

No se puede dejar simplemente una gran abertura en la trampa. Los electrodos forman a la vez una cavidad de microondas casi cerrada, que ayuda a mantener los estados excitados del positrón el tiempo suficiente para medirlos. Por eso los investigadores primero frenan el positrón, luego le permiten capturar un electrón y formar un átomo neutro de positronio. El positronio atraviesa una abertura de apenas 625 µm de diámetro, tras lo cual el campo eléctrico separa el electrón y el positrón queda dentro.

La carga de una sola partícula actualmente lleva entre ocho y once horas. Pero el positrón atrapado puede permanecer en el aparato durante meses. Enfrían la trampa hasta aproximadamente 300 mK, o alrededor de −272,85 °C. A tan baja temperatura casi desaparecen los fotones térmicos que podrían excitar la partícula por accidente, por lo que los físicos pueden primero llevar su movimiento ciclotrónico al estado cuántico fundamental y después cambiarlo deliberadamente con impulsos de microondas.

En un campo magnético de 5,6 T el positrón se desplaza con una frecuencia ciclotrónica de alrededor de 156 GHz. Los investigadores trasladan la partícula entre niveles cuánticos individuales y determinan su estado sin sacarla de la trampa. Cada cuanto adicional cambia la frecuencia del movimiento del positrón a lo largo del eje del aparato en aproximadamente 3,8 Hz, por lo que el instrumento distingue saltos cuánticos individuales e inversiones del espín.

Sin una cavidad de microondas especial, el estado excitado en ese campo magnético viviría solo unos 83 ms. El diseño de la trampa suprime la emisión espontánea y aumenta el tiempo hasta aproximadamente cuatro segundos. Esto es suficiente para que el instrumento registre el estado de la partícula.

El nuevo resultado no significa todavía que ya se haya medido con precisión récord el momento magnético del positrón. Los físicos demostraron el conjunto de operaciones necesario: se puede capturar una antipartícula, enfriarla, conservarla durante largo tiempo, trasladarla entre estados cuánticos y leer el resultado sin destruir el positrón. A continuación se requerirá espectroscopía precisa y un control riguroso de las perturbaciones.

La mejor comparación directa entre electrones y positrones se remonta al experimento de 1987, que confirmó la igualdad de sus factores g con una precisión de alrededor de 2,1 partes por trillón. Las mediciones modernas del electrón han avanzado mucho más. Los autores del nuevo aparato esperan que el ciclotrón cuántico permita mejorar la precisión para el positrón en aproximadamente un factor de 30 y someter a la simetría CPT a una de las pruebas más estrictas en el sector leptónico.

Incluso la confirmación de una coincidencia completa daría a los físicos una limitación más estricta sobre posibles desviaciones del Modelo Estándar. Y una diferencia detectada sería un resultado mucho más notable: la teoría cuántica moderna exige la igualdad de las propiedades correspondientes de partículas y antipartículas, por lo que una violación convincente obligaría a revisar sus fundamentos.