Cinco físicos de la Northwestern University, en Illinois, han conseguido resolver y manipular uno a uno los estados cuánticos más bajos de un único positrón, la antipartícula del electrón. El trabajo se publicó el 21 de octubre en Physical Review Letters, y abre la puerta al test más estricto hasta ahora de la simetría entre materia y antimateria en el sector leptónico.
El titular que circula dice que atraparon una partícula de antimateria «durante meses para estudiarla». Conviene ajustar las tres partes de esa frase.
¿Cuánto tiempo, y es eso lo importante?
El paper dice un mes, no meses, y la frase completa explica por qué el dato es casi anecdótico: «A single positron, trapped for a month for this realization, can be held for as long as desired».
Puede mantenerse indefinidamente porque no hay nada que lo deshaga. El estado fundamental de ciclotrón con espín abajo no decae, y el de espín arriba tiene una vida calculada de 2,1 años. El confinamiento no es el logro: es el punto de partida.
Y si alguien quisiera medir récords, este no lo sería. El experimento BASE del CERN operó medidas con antiprotones 405 días seguidos sin recargar la trampa, y en el mismo sistema de trampas fijó un límite de vida del antiprotón superior a 10,2 años. «Meses» sería, en ese marco, un retroceso.
Lo nuevo es la primera realización de un ciclotrón cuántico de un positrón: por primera vez se ven y se gobiernan los saltos de un cuanto entre los estados más bajos de una antipartícula, con una técnica de lectura que mide el estado sin destruirlo.
¿Qué hace falta para atrapar una antipartícula sola?
Una trampa de Penning dentro de un solenoide superconductor de 5,6 teslas, refrigerada por un refrigerador de dilución hasta unos 300 milikelvin, tres décimas de grado sobre el cero absoluto. A esa temperatura la probabilidad de que un fotón térmico excite el primer estado es de poco más de una parte en cien mil millones.
El positrón sale de la desintegración beta del sodio-22, con una fuente sellada de apenas 18 microcurios. El detalle no es menor y lo explican los propios autores: la mejor medida clásica previa del momento magnético del positrón usó una fuente de 500 microcurios, y aquí se han quedado veintisiete veces por debajo porque «las prácticas modernas de seguridad en un laboratorio universitario» harían extremadamente difícil manejar más. Es decir: el experimento está limitado por el reglamento de seguridad del edificio, no por la física.
El recorrido del positrón es brutal en términos de energía. Sale con hasta 546 kiloelectronvoltios y acaba con una energía térmica de ciclotrón de 26 microelectronvoltios: una reducción de más de diez órdenes de magnitud. Entra por una ventana de titanio de diez micras, pasa por un moderador de tungsteno monocristalino y cruza un agujero de 625 micras en un electrodo de plata. Cargar un solo positrón lleva entre ocho y once horas.
Que hay exactamente uno, y no dos, se comprueba por el desplazamiento de frecuencia que produce cada salto cuántico: unos 3,8 hercios. Con dos partículas sería la mitad.
Hay un truco más, y es elegante: la cavidad de la trampa inhibe la emisión espontánea hasta un factor de doscientos o más, lo que alarga la vida del primer estado excitado de 83 milisegundos a unos cuatro segundos. Sin eso no habría tiempo de leer nada.
¿Qué se podrá medir con esto?
El momento magnético del positrón, con la misma precisión cuántica que ya se alcanzó con el electrón: una parte en 10¹³. Comparar ese valor con el del electrón es poner a prueba la invariancia CPT, el principio que exige que las leyes de la física sean las mismas si se intercambian partículas por antipartículas, se invierte el espacio y se invierte el tiempo.
La ganancia que anuncian los autores en la conclusión del paper es concreta: testaría esa invariancia «more than 30 times more precisely than has been possible in the lepton sector». En el sector leptónico, el de los electrones y positrones; no en el de los protones, donde BASE ya tiene al protón medido con 0,3 partes por mil millones y al antiprotón con 1,6, sin diferencia detectada.
Y aquí está la cautela importante: la medida no está hecha. El paper solo dice que ahora «parece factible». No hay ningún valor del momento magnético del positrón, ni ninguna comparación con el electrón, ni por tanto ningún resultado sobre CPT. Todo el «treinta veces» es prospectivo.
Esto hay que subrayarlo porque alguna cobertura ha escrito que el experimento «no ha revelado hasta ahora ninguna diferencia inesperada entre las dos partículas». No podía revelarla: no midió nada que comparar.
Los propios autores apuntan qué queda cojo. La carga es lentísima, y reconocen que eso ralentizó la puesta a punto de la trampa. Para esta primera demostración simplificaron el esquema de detección y no usaron el oscilador autoexcitado que sí emplearon con el electrón, de modo que trazar la línea de resonancia requiere unos diez minutos, bastante más que los cuatro segundos de vida del estado excitado; tuvieron que recurrir a excitación impulsiva. Y encontrar un diámetro de agujero que dejara entrar el positrón sin ionizar demasiado pronto ni estropear el factor de calidad de la cavidad fue, dicen, un reto.
El líder del experimento, Gerald Gabrielse, catedrático de Física en Northwestern, resume para qué sirve todo esto: «The great mystery of the Standard Model is its ability to make extremely precise predictions of what can be measured, while being inconsistent with basic features of the universe». Y describe el método con una frase que se entiende sola: «High speed positrons from the decay of a sodium nucleus are slowed and captured in an environment that is so cold that they can be observed making one-quantum jumps between their lowest quantum states».
Mi lectura es que lo interesante de este trabajo es dónde se ha hecho. La física de antimateria de precisión es sinónimo de CERN: una fábrica que entrega unos cuatrocientos millones de antiprotones por hora, de los que los experimentos capturan en torno al 10 %, y que para probar el transporte tuvo que meter 92 antiprotones en un camión y pasearlos unos ocho kilómetros por el propio recinto del CERN. Aquí hay cinco personas, financiación de la National Science Foundation, una fuente radioactiva que cabe en una mano y un refrigerador de dilución. Y con eso van a atacar el mismo principio de simetría por otro flanco, el leptónico, donde el CERN no llega.
Queda una advertencia que conviene hacer de entrada, porque el tópico es inevitable: nada de esto tiene que ver con combustible, energía o armas. Ninguna fuente lo plantea, y el propio investigador lo descartó al explicar el manejo del material: «To be clear, it’s not dangerous. We don’t have enough antimatter to make an explosion». Con un positrón no se hace nada más que física.
Hay que decir también lo que falta: no existe ninguna valoración pública de un físico ajeno al equipo. Las cinco piezas de prensa localizadas citan exclusivamente a Gabrielse. La única evaluación disponible es la que los autores hacen de sus propios límites.
Para el contraste, la vía por la que el CERN ataca el mismo problema está contada aquí: el transporte de antimateria por carretera y la nueva violación CP detectada en bariones, que es el otro camino hacia el mismo misterio: por qué el Big Bang debería haber producido materia y antimateria a partes iguales y, sin embargo, aquí hay algo. En producción, el referente sigue siendo el experimento ALPHA.
☞ El artículo completo original de Natalia Polo lo puedes ver aquí
