Por primera vez, físicos construyen un ciclotrón cuántico para una única partícula de antimateria

Los físicos han creado por primera vez un ciclotrón cuántico para un positrón, la antipartícula del electrón, y han aprendido a controlar estados cuánticos individuales de la partícula. Se puede mantener un positrón durante meses casi en completa aislamiento, enfriarlo hasta el estado fundamental y detectar los cambios más pequeños en su movimiento. En el futuro, el aparato permitirá comparar con mucha más precisión las propiedades de la materia y la antimateria.

A los físicos les interesa sobre todo el momento magnético del positrón, que determina el comportamiento de la partícula en un campo magnético. Según la teoría actual, los momentos magnéticos del electrón y del positrón deben coincidir en magnitud y tener signos opuestos. Una discrepancia confirmada obligaría a reconsiderar las nociones fundamentales sobre la interacción de las partículas.

Atrapar un único positrón resultó no ser sencillo. Los investigadores obtienen antipartículas mediante la desintegración del sodio-22 radiactivo, las ralentizan mucho y las envían a la trampa de Penning. Campos eléctricos y magnéticos mantienen la partícula cargada lejos de las paredes, donde un encuentro con materia ordinaria terminaría en aniquilación.

El truco principal fue necesario al cargar el positrón. Un orificio grande habría alterado el funcionamiento de la cavidad de microondas casi cerrada, necesaria para las mediciones precisas. Por ello, los físicos primero combinan el positrón con un electrón y obtienen un positronio neutro. El átomo atraviesa un orificio de 625 µm de diámetro, después de lo cual el campo eléctrico separa al electrón y deja el positrón dentro de la trampa.

Atrapar una sola partícula por ahora no es instantáneo: la carga tarda de ocho a 11 horas. Luego los investigadores enfrían la trampa hasta aproximadamente 300 mK, o -272,85 °C. A esa temperatura, la radiación térmica apenas interfiere con las mediciones, por lo que se puede llevar el positrón al estado cuántico fundamental y, con impulsos de microondas, hacerlo pasar entre niveles de energía individuales.

En un campo magnético de 5,6 T, el positrón realiza un movimiento ciclotrón con una frecuencia de aproximadamente 156 GHz. El diseño del aparato prolonga la vida del estado excitado desde unos 83 ms hasta cuatro segundos. A los físicos les basta ese tiempo para observar transiciones cuánticas individuales y volteos de espín sin destruir la partícula.

Aún no hay una medición récord del momento magnético. Los investigadores demostraron que es posible atrapar, enfriar, almacenar durante meses, controlar los estados y leer el resultado de un positrón individual. Los autores esperan en el futuro aumentar la precisión de las mediciones en aproximadamente un factor de 30.

La comparación entre el electrón y el positrón permitirá comprobar la simetría CPT, uno de los principios básicos de la teoría cuántica de campos. En términos simplificados, el principio exige que las leyes de la física se mantengan bajo la sustitución simultánea de partículas por antipartículas, el reflejo especular del espacio y la inversión del tiempo. La mejor comparación directa entre electrón y positrón hasta ahora se basa en mediciones de 1987 con una precisión de alrededor de 2,1 partes por billón. El nuevo ciclotrón podría endurecer significativamente esta prueba, y una discrepancia convincente entre las propiedades de la partícula y la antipartícula indicaría física más allá del Modelo Estándar.