Resumen:
Un equipo de físicos de la Universidad Northwestern logró recientemente un gran avance en el campo de los experimentos de física de partículas. Por primera vez, la contraparte de antimateria del electrón, el positrón, fue guiada con éxito y controlada de manera estable en un estado cuántico preciso, y suspendida y aprisionada en un ambiente de vacío extremo cerca del cero absoluto durante varios meses. El resultado de esta investigación, publicado en Physical Review Letters, construyó el primer "ciclotrón cuántico de un solo positrón" del mundo y abrió un nuevo camino experimental para que la humanidad explore el misterio de la retención de materia en el universo.
En la física moderna, aunque el modelo estándar describe partículas elementales y tres de las cuatro fuerzas básicas que interactúan con una precisión extremadamente alta, nunca ha podido responder a un enigma central: según las deducciones teóricas, el Big Bang debería haber producido cantidades iguales de materia y antimateria. Cuando los dos se encuentren, serán instantáneamente aniquilados y reducidos a la nada. Sin embargo, en realidad, el universo observable está compuesto casi en su totalidad de materia positiva, y las estrellas, los planetas e incluso los humanos pueden sobrevivir. Gerald Gabrielse, líder de la investigación, dijo que esto muestra que el modelo estándar existente todavía tiene fallas clave o está incompleto. El equipo de investigación científica espera encontrar avances en la teoría existente mediante un examen ultrapreciso de los sistemas de partículas más básicos.
Dado que la antimateria se aniquila inmediatamente una vez que entra en contacto con la pared de un contenedor de materia convencional, es extremadamente difícil conservarla durante mucho tiempo. El equipo de investigación obtuvo primero positrones de alta energía a partir de la desintegración radiactiva del raro isótopo sodio-22, los desaceleró enormemente y los introdujo en una trampa electromagnética especialmente diseñada. Utilizaron campos eléctricos y magnéticos especiales para suspenderlos y aislarlos en un entorno de vacío casi perfecto, aislándolos por completo del contacto con la materia ordinaria del mundo exterior. Al mismo tiempo, los científicos mantuvieron un ambiente de temperatura ultrabaja de aproximadamente 300 mikelvin dentro de la trampa, que está a solo 0,3 grados Celsius por encima del cero absoluto, y enfriaron con éxito los positrones que se mueven a alta velocidad al estado cuántico fundamental más bajo, haciéndolos obedientemente estacionarios como átomos artificiales y mostrando niveles claros de energía cuántica. Sobre esta base, el equipo utilizó microondas finamente sintonizadas para inyectar una pequeña cantidad de energía para activar y observar con precisión la transición de positrones entre diferentes estados cuánticos.
Previamente, el equipo de Gabriels había utilizado un "ciclotrón cuántico de un solo electrón" para medir el momento magnético de los electrones (una cantidad física que mide la fuerza de la interacción entre partículas y campos magnéticos) con una asombrosa precisión de una parte en diez billones. Después de extender con éxito el mismo nivel de tecnología de manipulación cuántica a una sola partícula de antimateria, el próximo objetivo del equipo es medir el momento magnético del positrón con la misma precisión. Según las predicciones de la teoría física actual, los momentos magnéticos de los electrones y positrones deberían ser exactamente iguales en magnitud y opuestos en dirección. Gabriels señaló que si se encuentra incluso una diferencia extremadamente pequeña en los valores del momento magnético entre los dos en comparaciones de precisión posteriores, sacudirá directamente los cimientos del modelo estándar. No sólo se espera que revele el mecanismo profundo del desequilibrio de materia y antimateria en el universo, sino que también se convierta en el descubrimiento científico más importante en física del último siglo.
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