Físicos de Northwestern atrapan un único positrón en un ciclotrón cuántico

Cerrar la brecha de precisión en las pruebas con antimateria

Según el Modelo Estándar de la física de partículas, las leyes fundamentales dependen de la simetría CPT, un principio de invariancia que establece que la física no cambia si se invierten simultáneamente la carga, la paridad y el tiempo. Bajo este principio, el positrón, la contrapartida de antimateria del electrón, debe poseer un momento magnético intrínseco estrictamente igual en magnitud y de signo opuesto al del electrón. Mientras que la física experimental ha medido el momento magnético del electrón con una precisión extraordinaria de 1 parte en 10 billones, las comparaciones con el positrón se han quedado órdenes de magnitud por detrás, según informa Phys.org. Esta disparidad técnica se debe a la dificultad de aislar positrones en un entorno ultracongelado y sin perturbaciones, lo que impulsa una invención científica continua en las pruebas de alta precisión.

Ingeniería del ciclotrón cuántico de un solo positrón

Para superar el reto, un equipo de investigación dirigido por el físico e inventor Gerald Gabrielse en la Universidad Northwestern desarrolló un montaje experimental descrito en Physical Review Letters por T. G. Myers y sus colegas. Los positrones emitidos a gran velocidad por una fuente de sodio radiactiva se ralentizaron drásticamente antes de entrar en la zona de confinamiento. Los investigadores emparejaron cada positrón entrante con un electrón para formar un átomo eléctricamente neutro de positronio, que luego se separó directamente dentro de la trampa para aislar la única partícula de antimateria, según Phys.org. La antipartícula aislada quedó capturada dentro de una trampa de Penning especializada, un aparato de laboratorio que utiliza campos magnéticos y eléctricos combinados para mantener un movimiento orbital circular.

Estados cuánticos y lectura no destructiva

Toda la trampa se enfrió a una fracción de grado por encima del cero absoluto, lo que llevó a la partícula atrapada a su nivel de energía orbital de ciclotrón más bajo. En estas condiciones criogénicas, la energía del positrón se separa en pasos cuánticos discretos. La innovación científica se basa en aplicar pulsos de microondas para manipular el positrón entre estados de energía individuales e inducir inversiones de espín, según documenta Phys.org. En lugar de destruir la partícula durante la observación, los investigadores leen las transiciones de espín y orbitales midiendo cambios sutiles en su movimiento de oscilación axial dentro de la trampa.

Qué observar en la medición de precisión con antimateria

Dado que la arquitectura de confinamiento puede almacenar un positrón solitario durante varios meses sin perturbaciones, el montaje experimental funciona como un sólido prototipo de laboratorio para la espectroscopia de antimateria a largo plazo. El equipo prevé que las próximas mediciones mejoren las evaluaciones del momento magnético del positrón en aproximadamente 30 veces, cerrando la brecha histórica de exactitud con las referencias del electrón, según Phys.org. Si futuros ensayos descubren alguna discrepancia entre los momentos magnéticos del electrón y del positrón, el resultado ofrecería evidencia empírica directa de mecanismos físicos más allá del Modelo Estándar y arrojaría luz sobre por qué la materia domina sobre la antimateria en el espacio.

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