En 1801, Thomas Young proyectó luz a través de dos rendijas y observó algo que no debería ocurrir si la luz fuera solo un conjunto de partículas: en la pared del fondo apareció un patrón de franjas alternas de luz y oscuridad. La luz se había comportado como una onda, interfiriéndose consigo misma. El experimento de la doble rendija se convirtió en uno de los más famosos de la física, y a lo largo del siglo XX los científicos demostraron que electrones, fotones y hasta moléculas complejas hacen lo mismo.
Lo que nadie había podido hacer hasta esta semana era repetirlo con antimateria.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokyo, liderado por el profesor Yasuyuki Nagashima, publicó en Nature Communications los resultados de un experimento en el que por primera vez se observaron patrones de difracción —el sello inequívoco del comportamiento ondulatorio— en positronio. El resultado, obtenido el año pasado pero divulgado ampliamente en los últimos días, confirma que la dualidad onda-partícula no es una propiedad exclusiva de la materia ordinaria: la antimateria también obedece las mismas reglas cuánticas extrañas.
El átomo que se destruye a sí mismo
El positronio es uno de los objetos más peculiares que la física permite construir. A diferencia de los átomos normales —que tienen un núcleo masivo de protones y neutrones rodeado de electrones— el positronio está hecho de un solo electrón y un positrón, su contraparte de antimateria. Ambas partículas tienen la misma masa y cargas opuestas, y orbitan alrededor de un centro de masa común.
El problema es que cuando materia y antimateria se tocan, se destruyen mutuamente en un destello de energía. El positronio existe en dos variantes según cómo giran sus partículas: la versión "para-positronio" dura unos 125 picosegundos antes de aniquilarse. La versión "orto-positronio" aguanta algo más —unos 142 nanosegundos—, que en términos humanos es una fracción de segundo invisible, pero en términos de la física experimental es suficiente para hacer mediciones.
Que el positronio exista en absoluto es un hecho notable. Que se pueda construir un haz coherente de positronio para dirigirlo hacia un blanco es algo que requirió años de trabajo técnico.
Cómo funciona el experimento
El equipo de Nagashima desarrolló un método en tres pasos. Primero, generaron iones de positronio cargados negativamente —átomos de positronio que tienen un electrón extra—. Después, aplicaron un pulso láser de tiempo preciso que removió ese electrón adicional, dejando un haz de positronio neutro, rápido y coherente. La coherencia es clave: para observar interferencia, las partículas del haz deben estar en fase entre sí, como las olas de un océano tranquilo en lugar de las de una tormenta.
Ese haz se dirigió hacia una lámina de grafeno de dos a tres capas de espesor. El grafeno tiene una propiedad útil para este experimento: el espacio entre sus átomos de carbono coincide casi exactamente con la longitud de onda de de Broglie del positronio a las energías usadas —hasta 3,3 keV— lo que lo convierte en una rejilla de difracción natural a escala atómica.
El resultado fue un patrón claro de difracción. El positronio no pasó a través del grafeno como una partícula discreta que toma un camino definido. Se propagó como una onda, pasando por múltiples caminos simultáneamente y produciéndose interferencias entre ellos. El electrón y el positrón que componen el átomo no se difractaron por separado: actuaron como una entidad cuántica unificada.
Lo que confirma y lo que abre
El resultado en sí no viola ninguna predicción teórica. La mecánica cuántica predice que todo —materia, antimateria, moléculas, gatos hipotéticos— exhibe comportamiento ondulatorio a escala suficientemente pequeña. Lo que este experimento hace es confirmar experimentalmente esa predicción para un sistema hasta ahora inaccesible, y eso en física tiene un valor distinto a la confirmación teórica.
La validación experimental de la dualidad onda-partícula en el positronio descarta una hipótesis de bajo riesgo pero no trivial: que la antimateria se comportara de manera ligeramente diferente respecto a la materia en experimentos de interferencia. No se comporta diferente. Las mismas reglas cuánticas aplican.
Lo que se abre es más interesante. El positronio, al carecer de carga eléctrica, podría usarse para analizar superficies de materiales que un haz de partículas cargadas distorsionaría —aislantes, materiales magnéticos, estructuras orgánicas—. Un "microscopio de positronio" podría ver cosas que los microscopios de partículas convencionales no pueden.
Y luego está la pregunta que los físicos llevan décadas formulando sin poder responder directamente: ¿la antimateria cae hacia abajo, como la materia, o hay alguna diferencia en cómo responde a la gravedad? La teoría general de la relatividad predice que no debería haber diferencia, pero eso nunca se midió de manera directa con antimateria. Los experimentos de interferencia con positronio podrían eventualmente permitir medir la aceleración gravitacional de la antimateria con la precisión necesaria para responder esa pregunta.
El profesor Nagashima y su equipo llaman a este resultado "un hito experimental revolucionario en física fundamental." Es una frase que en el lenguaje de los comunicados científicos equivale a "esto es importante pero no nos dejaron poner un signo de exclamación."
La física tiene su propio idioma para el asombro.
Fuente original: ScienceDaily / Interesting Engineering / Science News
