Una rareza tentadora que se encuentra en los átomos exóticos, pero los físicos no están exagerando 1

El positronio, formado por un electrón unido a un positrón, es a la vez el más exótico y el más simple de los átomos.

C. Bickel /Ciencias

Por Adrian Cho

Una propiedad del positronio, un átomo exótico que consiste en un electrón unido a su socio antimateria, un positrón, difiere significativamente de las predicciones teóricas, informa un equipo de físicos. Esa diferencia podría ser un signo de nuevas partículas o fenómenos más allá del modelo estándar de los físicos de fuerzas y partículas fundamentales, el tipo de resultado que suele ir acompañado de un comunicado de prensa febril. Sin embargo, los investigadores no solo no emitieron ningún comunicado de prensa, su artículo no menciona la nueva física.

“Es muy emocionante”, dice Gregory Adkins, teórico de Franklin & Marshall College que trabaja en positronio. “Encontrar una discrepancia significa que este es un sistema interesante a seguir”.

Pero la física está plagada de tentadoras afirmaciones que fracasaron, a veces de manera espectacular: una discrepancia en el tamaño del protón; signos de un brote de crecimiento cósmico llamado inflación; y evidencia de que las partículas llamadas neutrinos viajan más rápido que la luz, un artefacto experimental que finalmente se remonta a un cable eléctrico suelto. Entonces, David Cassidy, un físico del University College London que dirigió el nuevo trabajo del positronio, solo afirma que la medición es correcta. “Estoy convencido de que no es una cosa estúpida, más rápida que la luz, con neutrinos donde hemos hecho algo que simplemente no está bien”.

Debido a que un átomo de positronio no contiene materia nuclear, los físicos pueden estudiarlo sin preocuparse por las complejidades de las fuerzas nucleares débiles y fuertes, que pueden alterar las propiedades de un átomo de manera sutil pero significativa. Para predecir las propiedades del positronio, los físicos necesitan usar solo la teoría cuántica relativamente simple de las fuerzas eléctricas y magnéticas, o la electrodinámica cuántica (QED), quizás la teoría más precisa y mejor probada en física. Eso hace que el positronio sea una herramienta ideal para buscar nueva física, dice Cassidy.

Al igual que un átomo ordinario, un átomo de positronio puede absorber y emitir luz y otra radiación electromagnética solo a frecuencias específicas cuando el electrón y el positrón dentro de él saltan de un estado cuántico distinto a otro. Los teóricos pueden calcular esas longitudes de onda con precisión con QED, y cualquier discrepancia entre esas predicciones y las frecuencias medidas experimentalmente podrían indicar una nueva física.

Hacer esas comparaciones es más fácil de decir que de hacer. Los teóricos trabajan durante años para mejorar los cálculos increíblemente exigentes. Y los átomos de positronio no existen en la naturaleza, por lo que los experimentadores deben producirlos disparando positrones a un objetivo donde algunos de ellos capturan electrones. Los átomos resultantes tampoco se quedan por mucho tiempo. En una fracción de microsegundo, el electrón y el positrón chocan y se aniquilan entre sí en un destello de rayos gamma.

Sin embargo, a través de esfuerzos minuciosos, Cassidy y sus colegas pudieron capturar bocanadas fugaces de aproximadamente 100.000 átomos de positronio y exponerlos a microondas que impulsarían una transición entre un par particular de estados cuánticos. Sintonizando la frecuencia de las microondas para maximizar la velocidad, encontraron que la transición ocurrió a 18.50102 gigahertz, lo que choca con la predicción QED de 18.49825 gigahertz. Los dos valores difieren en 4,5 veces los errores experimentales y teóricos combinados, apenas por debajo del estándar de cinco veces para declarar un descubrimiento, informó el equipo el 12 de agosto en Cartas de revisión física.

Hay que tener precaución por varias razones, dicen los físicos. Otras discrepancias entre las propiedades predichas y observadas del positronio han ido y venido. Por ejemplo, en la década de 1990, los físicos pensaban, esencialmente, que el positronio no vivía tanto como se había predicho. Pero mejores mediciones resolvieron esa diferencia en 2003. Los investigadores también pueden tener dificultades para explicar la discrepancia con nuevas teorías, como alguna nueva partícula cuántica que revolotea entre el electrón y el positrón. “Podría ser un poco difícil modificar la teoría para que se ajuste a este experimento, pero no causar problemas con otros experimentos”, dice Adkins.

Quizás la mayor razón para la precaución es que el nuevo resultado sugiere que algo falta en QED. La teoría se basa solo en unos pocos supuestos fundamentales: que existen partículas como los electrones, que se sostiene la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein y que toda la teoría debe tener una simetría matemática particular llamada invariancia de calibre que inmediatamente da lugar a todo lo demás: la existencia de campos eléctricos y magnéticos y todas sus propiedades. Entonces, cuestionar la capacidad de QED para explicar el positronio sería audaz, de hecho. “No conviene estar demasiado en desacuerdo con QED en público”, dice Cassidy. “Es como una pelea con Mike Tyson, no vas a ganar”.

En última instancia, la QED por sí sola probablemente pueda explicar la discrepancia, predice Cassidy. Las microondas podrían conducir un átomo de positronio no solo directamente desde el estado cuántico inicial al estado final, sino también a través de un estado cuántico intermedio. Esa forma adicional de pasar del estado inicial al final podría interferir mecánicamente cuánticamente con la vía directa, afectando la frecuencia medida de la transición. Determinar si un efecto tan sutil pero convencional está en juego podría llevar 10 años, dice Cassidy.

Mientras tanto, los físicos están bajo una presión cada vez mayor, incluso de las agencias de financiación, para resaltar las interpretaciones más provocativas de su trabajo, en lugar de dejar que los resultados hablen por sí mismos, dice Cassidy. “Así es como se obtiene dinero en estos días”.


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