- El equipo de Northwestern University ha capturado y enfriado por primera vez un positrón, creando un acelerador cuántico.
- Los positrones no pueden almacenarse en contenedores, ya que se aniquilan al entrar en contacto con la materia.
- Los investigadores miden con precisión el momento magnético del positrón, buscando diferencias entre materia y antimateria.
- Si los resultados de las mediciones son diferentes, podría romperse el modelo estándar actual.
Si el Big Bang creó cantidades iguales de materia y antimateria, entonces todo lo que existe debería haberse aniquilado hace miles de millones de años. Sin embargo, nuestro mundo sigue aquí. Actualmente, físicos de Northwestern University pueden haber encontrado la razón. Un equipo liderado por el profesor Gerald Gabrielse y su estudiante de doctorado Thomas Myers ha capturado, enfriado y atrapado un único positrón (la contraparte de antimateria del electrón), colocándolo en un "estado cuántico extremadamente controlado". Cabe destacar que esta es la primera vez que se crea "un acelerador cuántico de positrones".
Control cuántico del positrón
La materia convencional está compuesta por electrones, protones y neutrones, mientras que el universo de antimateria está formado por positrones, antiprótones y antineutrones. Sin embargo, la investigación sobre antimateria es sumamente complicada. Cuando una partícula de antimateria entra en contacto con materia convencional, ambas se aniquilan instantáneamente, liberando energía. Los positrones no pueden almacenarse en contenedores, ya que el contacto con la materia ordinaria los destruye de inmediato. Por lo tanto, el estudio de estas partículas requiere un manejo cuidadoso, aunque las pequeñas cantidades utilizadas no representan un verdadero riesgo de explosión. Gabrielse afirma: "Si queremos estudiar antimateria, debemos manejarla con cuidado. Específicamente, esto no es peligroso.
No tenemos suficiente antimateria para causar una explosión."
Control cuántico del positrón
En este estudio, los físicos capturaron un único positrón de la desintegración radiactiva, lo enfriaron hasta cerca del cero absoluto y utilizaron campos magnéticos y eléctricos para atraparlo en el vacío. Este estado creó un acelerador cuántico de positrones, permitiendo que la partícula operara como un "átomo artificial", cuyos niveles de energía pueden ser manipulados con precisión sin entrar en contacto con la materia ordinaria y provocar aniquilación. En esta investigación, los investigadores capturaron un positrón de alta energía liberado en la desintegración radiactiva del sodio-22, desacelerándolo y guiándolo a una trampa electromagnética diseñada a medida.
Una vez dentro, la temperatura interna se redujo a helados 300 milikelvins (solo 0.3 grados por encima del cero absoluto). El positrón flotaba en un vacío casi perfecto, sin haber tocado nunca ninguna pared. Liberado del ruido externo, se estabilizó en el estado de energía más bajo, comportándose esencialmente como un átomo artificial, que los científicos pudieron manipular durante meses. Gabrielse comentó: "Lo enfriamos a una temperatura tan baja que entró en el estado base cuántico. En realidad, guiamos a este positrón muy rápido para que permaneciera allí quieto y se comportara durante meses."
Buscando grietas en el modelo
Buscando diferencias entre materia y antimateria
El modelo estándar describe partículas fundamentales y tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo, pero los físicos saben que no es completo, ya que no explica por qué la materia domina sobre la antimateria. Los investigadores de Northwestern University demostraron cómo utilizar pulsos de microondas ajustados con precisión para activar y observar las transiciones cuánticas individuales del positrón atrapado. Este nivel de control permite medir con extrema precisión el momento magnético del positrón, repitiendo experimentos previos de medición del momento magnético del electrón, con una precisión de diez milésimas de millón. Comparar estas dos mediciones ayudará a los físicos a buscar pequeñas diferencias entre materia y antimateria.
Gabrielse afirmó: "Las teorías actuales sugieren que no debería haber diferencias entre estas dos mediciones. Si los resultados no son iguales, eso sería el mayor descubrimiento en física en el último siglo."
Si hay una diferencia entre estas dos mediciones, podría romper el modelo estándar y, en última instancia, proporcionar pistas sobre por qué la materia ganó la batalla cósmica, permitiendo la existencia de nuestro universo. Los resultados de esta investigación fueron publicados el 21 de octubre en Physical Review Letters.
Impacto de la investigación sobre positrones en la física
Este estudio demuestra cómo controlar la antimateria en condiciones extremas, ofreciendo nuevas direcciones de exploración para la física. El control cuántico del positrón no solo puede mejorar nuestra comprensión de la antimateria, sino que también podría revelar las razones detrás de la dominancia de la materia en el universo. Si los resultados de las mediciones muestran diferencias entre materia y antimateria, desafiarán el modelo estándar actual y podrían cambiar nuestra comprensión de la estructura fundamental del universo. Estos hallazgos no solo benefician la ciencia básica, sino que también podrían tener un impacto profundo en futuras aplicaciones tecnológicas.