Un cúbit de antimateria para investigar los límites del universo

Laboratorio de antimateria del CERN. / Brice, Maximilien: CERN

En una hazaña sin precedentes, un equipo de científicos de la colaboración BASE del CERN ha logrado manipular un antiprotón -la partícula equivalente al protón, pero de antimateria- como si fuera un cúbit, es decir, una unidad básica de información cuántica.

Por primera vez, se ha conseguido mantener estable y coherente el estado cuántico de esta partícula durante casi un minuto, todo un hito para la física fundamental que permitirá realizar con mayor precisión experimentos clave sobre las simetrías que rigen el universo.

Una herramienta para explorar asimetrías

El experimento, cuyos resultados publica la revista Nature, supone la primera demostración de un cúbit de antimateria, una herramienta que, aunque no tiene aplicaciones prácticas inmediatas en computación cuántica, abre una nueva etapa en el estudio de la antimateria y su aparente asimetría respecto a la materia.

Esta diferencia es una de las grandes incógnitas de la física moderna: según las leyes conocidas, el Big Bang debió producir la misma cantidad de ambas. Sin embargo, el universo observable está compuesto casi exclusivamente de materia. ¿Dónde está la antimateria?

Espines cuánticos en equilibrio

La clave para responder a esa pregunta podría estar en las propiedades cuánticas de partículas como el antiprotón. Esta partícula posee un momento magnético -un atributo ligado a su espín, o giro cuántico- que puede apuntar en una de dos direcciones, como una especie de minúsculo imán.

Si se logra medir con altísima precisión cómo se comporta ese espín, y si se compara con su equivalente en el protón, se pueden someter a prueba algunas de las simetrías más fundamentales de la naturaleza, en particular la simetría CPT (carga, paridad y tiempo), que postula que las leyes de la física son idénticas para la materia y la antimateria si se invierten simultáneamente esas tres propiedades.

¿Qué es el espín cuántico?

El espín es una propiedad cuántica de las partículas subatómicas que no tiene un análogo directo en el mundo clásico, aunque a menudo se lo representa como una especie de giro interno.

Más que una rotación física, el espín está relacionado con el momento angular cuántico y determina, entre otras cosas, cómo interaccionan las partículas con campos magnéticos.

En partículas como el protón o el antiprotón, el espín da lugar a un momento magnético, lo que permite tratarlas como pequeños imanes con un norte y un sur.

En el contexto cuántico, este momento puede estar en un estado de superposición: apuntando hacia arriba, hacia abajo o -cuando no se observa- en ambos a la vez.

Manipular esa propiedad sin que colapse es precisamente lo que convierte al espín en una herramienta clave para la física cuántica y los experimentos de precisión.

El desafío de mantener la coherencia

Hasta ahora, los experimentos con antiprotones se basaban en técnicas de espectroscopía incoherente, es decir, en observaciones en las que el estado cuántico de las partículas se veía afectado por perturbaciones externas como fluctuaciones de campo magnético.

Eso limitaba la precisión de las mediciones, ya que la coherencia cuántica -la capacidad de un sistema de mantener una superposición de estados cuánticos sin colapsar- se perdía rápidamente.

Una danza controlada entre trampas electromagnéticas

El nuevo estudio, realizado en la llamada Fábrica de Antimateria del CERN, da un paso decisivo al demostrar que es posible preservar esa coherencia durante 50 segundos.

Para ello, los investigadores utilizaron un sistema complejo de trampas de Penning, que emplean campos eléctricos y magnéticos para capturar y manipular partículas cargadas.

Dentro de esta instalación, lograron aplicar pulsos de microondas cuidadosamente sincronizados para inducir transiciones coherentes entre los dos estados de espín del antiprotón, sin que el entorno destruyera la superposición cuántica.

La analogía que propone el equipo es sencilla pero ilustrativa: es como empujar a un niño en un columpio. Si se le da el empujón justo en el momento adecuado, el movimiento se mantiene estable y rítmico. En este caso, el columpio es el antiprotón oscilando suavemente entre su estado de espín hacia arriba y hacia abajo, una oscilación cuántica controlada que, mientras no sea medida, puede incluso existir en una combinación de ambos estados al mismo tiempo.

¿En qué se diferencian materia y antimateria?

Cada partícula de materia tiene una antipartícula equivalente con la misma masa pero carga eléctrica opuesta.

Por ejemplo, el electrón tiene como contraparte el positrón, y el protón se corresponde con el antiprotón.

Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, se aniquilan mutuamente, liberando energía.

Las teorías físicas actuales predicen que el Big Bang debió crear cantidades iguales de materia y antimateria, pero en el universo observable apenas hay rastros de esta última.

Esta aparente asimetría es uno de los grandes misterios de la física y una posible clave para entender por qué existe algo en lugar de nada.

Por eso, estudiar con precisión cómo se comporta la antimateria es fundamental para buscar señales de una física aún desconocida.

Mayor precisión para poner a prueba el Modelo Estándar

“Este es el primer cúbit de antimateria”, señala Stefan Ulmer, portavoz de la colaboración BASE, en la nota de prensa del CERN. “Nos permite aplicar todo el repertorio de técnicas de espectroscopía coherente a sistemas individuales de materia y antimateria en experimentos de alta precisión. Lo más importante es que ayudará a realizar futuras mediciones del momento magnético del antiprotón con una precisión entre diez y cien veces superior a la actual”.

Hasta la fecha, las mediciones más precisas habían confirmado que el momento magnético del protón y del antiprotón coinciden con una exactitud de una parte entre mil millones, lo que reafirma la validez de la simetría CPT.

Sin embargo, incluso la más mínima desviación en futuras mediciones abriría la puerta a una nueva física más allá del Modelo Estándar, el marco teórico actual de la física de partículas.

Una partícula sola, libre y coherente

El trabajo publicado ahora marca también un precedente experimental: es la primera vez que se logra una transición cuántica coherente en el momento magnético nuclear libre de una sola partícula.

Aunque se han observado oscilaciones similares en átomos o iones atrapados, lograrlo con un solo antiprotón -sin entorno atómico que lo proteja. añade un nivel de dificultad y de valor sin precedentes.

La próxima frontera: tiempos de coherencia aún mayores

La perspectiva de mejorar aún más esta precisión no es solo una ilusión teórica.

Ya está en marcha el proyecto BASE-STEP, una nueva generación de instalaciones que permitirá transportar antiprotones a lugares con entornos magnéticos más estables que los del CERN, lo que podría ampliar los tiempos de coherencia cuántica hasta diez veces más.

Esta infraestructura incluye un sistema de trampas Penning offline, donde los antiprotones podrán almacenarse y analizarse con condiciones aún más controladas.

Barbara Latacz, primera autora del estudio, subraya el impacto potencial de esta línea de investigación: “Una vez que el sistema esté plenamente operativo, podríamos alcanzar tiempos de coherencia de varios minutos. Eso supondría un cambio radical para los experimentos con antimateria bariónica”.

La antimateria, una ventana hacia nuevas leyes físicas

A pesar de que el concepto de cúbit suele asociarse con la computación cuántica, el resultado del CERN tiene una finalidad mucho más fundamental: explorar la estructura misma del universo.

Si algún día descubrimos una pequeña asimetría entre materia y antimateria, será gracias a este tipo de experimentos, que empujan al límite la precisión técnica y abren nuevas vías para responder a algunas de las preguntas más profundas de la física contemporánea.