MÉXICO (Por Julio García G. / Periodista de Ciencia).- Las matemáticas son uno de los mejores instrumentos del pensamiento para comprender la realidad.
El poder de los números y las ecuaciones (algunos afirman que son producto de la imaginación y la inventiva humana), mientras que otros sostienen que siempre han estado allí y nosotros simplemente llegamos a descubrirlas escondidas entre los objetos que observamos y palpamos, nos han permitido no solamente llegar al espacio a través de sofisticadas naves espaciales, sino alcanzar un nivel tecnológico sin precedentes, incluyendo la capacidad de escribir este artículo en una computadora.
También, nos sirven para describir la física que está detrás de la mayoría de los fenómenos que suceden en el Universo, como la estructura del propio espacio-tiempo y aquello que ocurre en el reino de lo muy pequeño, el microcosmos.
No obstante, para que los científicos puedan afirmar que una ecuación es verdadera, deben contrastarla con la realidad a través de los experimentos.
Eso ha sucedido recientemente luego de un grupo de científicos de la Universidad Northwestern (Estados Unidos), haya logrado aislar en el laboratorio una partícula de antimateria, es decir, un positrón.
Macrocosmos y microcosmos. Imagen generada por IA.
Los positrones son iguales a los electrones (las partículas que rodean el núcleo de los átomos) en términos de masa, pero poseen carga eléctrica opuesta.
Si un electrón y un positrón se encuentran, generalmente experimentan un fenómeno llamado aniquilación partícula-antipartícula, el cual consiste en que ambas partículas desaparecen como tales y su energía tiende a transformarse en dos fotones de radiación gama.
Pero vamos por partes: los electrones no giran en torno al átomo como si fueran pequeñas bolitas; o como los planetas que giran en torno al Sol en órbitas predecibles y definidas.
Más bien, estos se comportan de forma indefinida (el paralelismo podría ser una nube difusa) y tienden a alejares o acercarse al núcleo del átomo, de tal suerte que se mueven en estados cuánticos llamados orbitales, que determinan las regiones donde existe mayor probabilidad de encontrarlos. De hecho, gracias a los electrones, una cuchara no traspasa una mesa y una taza normalmente se rompe en pedazos cuando cae al suelo.
Imagen artística de electrones rodeando el núcleo de un átomo. Imagen generada por IA.
Además —y esto es lo más sorprendente— los electrones son fundamentales para explicar por qué la materia es sólida, a pesar de los átomos estén constituidos en su mayor parte por espacio aparentemente vacío.
Que los electrones sean difíciles de ser localizados en el átomo, no ha impedido que los científicos los puedan estudiar y que, inclusive, puedan conocer qué sucede cuando un electrón impacta con un positrón, la antimateria de los electrones.
Para intentar dar respuesta a esta interrogante —de por qué el Universo existe y por qué predomina la materia sobre la antimateria— tanto Gerald Gabrielse como Tom Myers, junto con un equipo de investigadores, lograron capturar un único positrón y mantenerlo aislado durante meses.
Para ello utilizaron una sofisticada trampa electromagnética enfriada a temperaturas cercanas al cero absoluto que es de -273 °C.
Imagen artística de antimateria. Imagen: Pexels.
Para lograrlo, hicieron atravesar los positrones por un cristal de tungsteno. Durante este proceso, muchos desaparecieron al encontrarse con electrones, pero algunos consiguieron sobrevivir y perder buena parte de su energía hasta lograr reducir su velocidad.
Luego, algunos de estos positrones formaron un sistema denominado positronio, constituido por un electrón y un positrón ligados entre sí.
Más adelante los científicos introdujeron este sistema en una trampa de Penning, un dispositivo que utiliza campos eléctricos y magnéticos para mantener confinadas partículas cargadas sin que entren en contacto con las paredes del recipiente.
El mayor logro del experimento no consistió únicamente en mantener atrapado a un único positrón (que en sí mismo es muy relevante) sino que también consiguieron controlar su movimiento y observar cómo cambia entre distintos niveles de energía cuántica.
Esto les permitió —mediante microondas, que son un tipo de radiación—provocar transiciones entre niveles de energía del positrón. Además, lograron detectar cambios en el espín, una propiedad cuántica intrínseca de las partículas.
Todo esto, evidentemente, abre la posibilidad de medir algunas propiedades muy interesantes de la antimateria con una precisión extraordinaria.
Por ejemplo, de acuerdo con el Modelo Estándar de la física de partículas, existe un principio fundamental denominado simetría CPT, que establece que las leyes de la física deben permanecer sin cambios cuando se aplican tres aspectos fundamentales: inversión de la carga eléctrica, inversión espacial e inversión temporal.
Y, una de las consecuencias de esta simetría es que el electrón y el positrón deben tener exactamente la misma masa y momentos magnéticos de igual magnitud, aunque tengan signos opuestos, como el electrón y el positrón.
Una trampa de Penning. Imagen generada por IA.
Afortunadamente los científicos ya han medido el momento magnético del electrón con una precisión extraordinaria. Lo que falta ahora es medir el momento magnético del positrón.
Si se logra medir también el momento magnético del positrón, y este coincide con el del electrón, esto constituiría una de las pruebas experimentales más rigurosas de la simetría CPT, lo cual ayudaría a comprender mejor por qué el Universo es como es y, también, por qué existe más materia que antimateria.
Por el contrario, si los investigadores encontraran una diferencia que no pudiera explicarse experimentalmente entre el momento magnético del electrón y el positrón, sin duda estaríamos ante un descubrimiento extraordinario que podría indicar la existencia de fenómenos físicos todavía desconocidos.
Hasta el momento el reciente experimento no ha demostrado ninguna diferencia entre el electrón y el positrón, por lo que esperan obtener los resultados de estas mediciones posteriormente.
Una pregunta sin respuesta
Una de las preguntas que la física no ha logrado responder tiene que ver con lo siguiente: si el electrón y el positrón poseen la misma masa y propiedades prácticamente idénticas, ¿por qué el universo está dominado por electrones y otras partículas de materia, en lugar de contener cantidades equivalentes de sus correspondientes antipartículas? En otras palabras: ¿por qué existe más materia que antimateria?
Hasta el momento no disponemos de una explicación completa. Sin embargo, el experimento llevado a cabo recientemente podría ayudar a esclarecer esta interrogante.
Por lo tanto, más allá del interés que existe en que los científicos hayan conseguido mantener atrapada una partícula de antimateria durante meses, lo verdaderamente interesante radica en cómo la medición del positrón podría ayudar a resolver la incógnita de si realmente existe una diferencia sustancial entre materia y antimateria.
Hallar la respuesta a esta y otras preguntas requiere no solamente de paciencia, sino de que lo que estamos intentando predecir coincida con la realidad. De ahí que el pensamiento científico se construya lentamente, a través de errores de y aciertos, en esa obsesión que tenemos por encontrar la verdad de las cosas, incluyendo por qué el Universo es como es y no de otra manera.
