Científicos logran controlar antimateria con precisión cuántica por primera vez

El experimento BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) ha conseguido un hito histórico en la física de antimateria al demostrar por primera vez el control coherente del espín de un antiprotón atrapado individualmente, un logro que abre nuevas posibilidades para probar las leyes fundamentales del universo.

Según el Dr. Jack Devlin, investigador de Imperial College y miembro del equipo BASE, "algunos de los primeros experimentos en ciencia cuántica involucraron lograr un alto grado de control sobre la dirección de los espines en átomos y moléculas. Ahora, por primera vez, el equipo BASE ha podido hacer lo mismo con un antiprotón".

El espín es una propiedad fundamental en mecánica cuántica que determina el comportamiento magnético de una partícula. Los investigadores demostraron que podían controlar con precisión el espín de un antiprotón individual, manteniéndolo estable el tiempo suficiente para realizar múltiples "volteos" de la dirección del espín.

Para lograr este control, el equipo atrapó el antiprotón dentro de una trampa Penning criogénica, donde pudo ser aislado de perturbaciones externas y mantenido durante meses o años. Utilizando campos electromagnéticos finamente ajustados, indujeron oscilaciones de Rabi, haciendo que el espín oscilara entre sus dos estados de manera controlada y repetible.

Crucialmente, el equipo logró demostrar que el espín del antiprotón permanecía coherente durante más de 50 segundos, tiempo suficiente para observar múltiples oscilaciones entre los dos estados de espín. Esta nueva técnica promete mediciones mejoradas al menos 16 veces de las propiedades magnéticas del antiprotón.

El experimento BASE aborda una de las mayores preguntas sin respuesta en física: por qué el universo contiene mucha más materia que antimateria. Según el Modelo Estándar, materia y antimateria deberían haberse creado en cantidades casi iguales durante el Big Bang, pero hoy la antimateria es extremadamente rara.

El profesor Stefan Ulmer, fundador y portavoz de BASE de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf, explicó que "esto abre la perspectiva de aplicar todo el conjunto de métodos de espectroscopía coherente a sistemas individuales de materia y antimateria en experimentos de precisión. Lo más importante es que ayudará a BASE a realizar mediciones de momentos de antiprotones en futuros experimentos con una precisión mejorada de 10 a 100 veces".

En un avance separado pero relacionado, el equipo BASE-STEP liderado por el Dr. Christian Smorra también demostró la primera trampa transportable para antimateria. En esta primera demostración, se cargaron protones en una trampa, se levantaron con una grúa, se transportaron por el CERN durante cuatro horas y luego se devolvieron con éxito a la fábrica de antimateria, confirmando la viabilidad de transportar antiprotones a laboratorios de bajo ruido con campos magnéticos estables.

La colaboración BASE fue establecida en 2012 y tiene su sede en la Fábrica de Antimateria (AMF) del CERN, con institutos de investigación en Alemania, Japón, Reino Unido y Suiza involucrados en la colaboración. Imperial College se unió como instituto colaborador en BASE desde 2022.

En un desarrollo paralelo en el campo de la física cuántica, científicos del Instituto de Tecnología Stevens están construyendo el primer detector de gravitones del mundo, partículas que median la fuerza de gravedad a nivel cuántico y que durante mucho tiempo se consideraron fundamentalmente indetectables.

El físico Igor Pikovski y sus colegas están desarrollando un experimento diseñado para capturar gravitones individuales, lo que marca el comienzo de una nueva era en la investigación de la gravedad cuántica, según informó Sci.News.

En 2024, el Dr. Pikovski y colegas del Instituto de Tecnología Stevens, la Universidad de Estocolmo, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa y Nordita demostraron que la detección de gravitones es, de hecho, posible. "Durante mucho tiempo, la detección de gravitones se consideró tan desesperanzadora que ni siquiera se trataba como un problema experimental", dijo el Dr. Pikovski. "Lo que encontramos es que esta conclusión ya no se sostiene en la era de la tecnología cuántica moderna".

La clave es una nueva perspectiva que sintetiza dos avances experimentales importantes: la detección de ondas gravitacionales (ondulaciones en el espacio-tiempo producidas por colisiones de agujeros negros o estrellas de neutrones) y los avances en ingeniería cuántica que han permitido enfriar, controlar y medir sistemas cada vez más masivos en estados cuánticos genuinos.

Basándose en este descubrimiento reciente, el Dr. Pikovski y el profesor Jack Harris de la Universidad de Yale se han unido para construir el primer experimento del mundo diseñado explícitamente para detectar gravitones individuales. Con el apoyo de la Fundación W.M. Keck, están desarrollando un resonador de helio superfluido a escala centimétrica, acercándose al régimen requerido para absorber gravitones individuales de ondas gravitacionales astrofísicas.

"Ya tenemos las herramientas esenciales. Podemos detectar cuantos individuales en sistemas cuánticos macroscópicos. Ahora es cuestión de escalar", dijo el profesor Harris.

El experimento pretende sumergir un resonador cilíndrico de escala de gramos en un contenedor de helio superfluido, enfriar el sistema a su estado cuántico fundamental y utilizar mediciones basadas en láser para detectar fonones individuales, los cuantos vibracionales en los que se convierten los gravitones.

"La física cuántica comenzó con experimentos sobre luz y materia", dijo el Dr. Pikovski. "Nuestro objetivo ahora es llevar la gravedad a este dominio experimental, y estudiar los gravitones de la manera en que los físicos estudiaron por primera vez los fotones hace más de un siglo".

Estos avances representan pasos significativos hacia la comprensión de las propiedades fundamentales de la materia, la antimateria y la gravedad a nivel cuántico, acercándonos potencialmente a una teoría unificada que reconcilie la mecánica cuántica con la relatividad general.