La antimateria también es cuántica

Un equipo internacional de físicos suizos e italianos ha demostrado por primera vez que la antimateria se comporta también como las partículas cuánticas de la materia.

El equipo de físicos forma parte de la colaboración QUPLAS (Quantum interferometry and gravity with Positrons and LASers), que incluye investigadores del Politecnico di Milano L-NESS, la unidad de Milán del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), de la Università degli Studi di Milano y de la Universidad de Berna en Suiza.

Mediante un experimento conocido como de Young o de la doble rendija, comprobaron la naturaleza ondulatoria de la antimateria del electrón: el positrón.  Los resultados se han publicado en la revista Science Advances.

El experimento de Young fue realizado por primera vez en 1801 por el científico inglés Thomas Young y permitió descubrir la naturaleza ondulatoria de la luz. Posteriormente, el experimento sirvió para demostrar la dualidad onda-partícula que manifiesta el universo cuántico, tal como postuló en 1924 el físico francés Louis de Broglie.

Esta dualidad refleja el comportamiento de las partículas cuánticas, que en ocasiones se manifiestan como partículas en el espacio, y en otras ocasiones como ondas: cuando adoptan ese comportamiento, se superponen unas con otras para formar ondas más grandes, mediante un proceso físico conocido como interferencia.

Experimento de Young con materia

Explicado en términos ordinarios, el experimento de Young significa que si un jugador de baloncesto tira el balón hacia dos canastas situadas una al lado de la otra, el balón no entra en una canasta, sino en las dos a la vez.

Y ocurre así porque el balón, en este ejemplo, en realidad no es una partícula, sino una onda que atraviesa ambas canastas. Su paso por ambas canastas deja una huella en forma de onda invisible que se proyecta más allá del tablero.

En el mundo cuántico, un disparador de fotones quiere introducir un fotón en una rendija dispuesta en una barrera sólida, junto a otra rendija. Cuando dispara, el fotón atraviesa simultáneamente ambas rendijas y se proyecta como una onda en una pantalla situada detrás de la barrera sólida: forma ondas cuánticas con específicos patrones de interferencia (las ondas se comportan siempre de la misma forma).

Este tipo de experimento ha confirmado la dualidad onda-partícula en fotones, electrones, átomos e incluso en  moléculas grandes. La nueva investigación ha  demostrado la naturaleza ondulatoria de los positrones.

Los positrones son bien conocidos desde su descubrimiento en 1932 por el físico estadounidense Carl David Anderson. Poseen la misma cantidad de masa y espín que el electrón, pero su carga es positiva en vez de negativa, como ocurre con el electrón. En la actualidad se usan en medicina nuclear, como por ejemplo en la tomografía por emisión de positrones, para medir la actividad metabólica del cuerpo humano.

Experimento de Young con antimateria

Para demostrar la dualidad onda-partícula de los positrones, los investigadores realizaron mediciones con una configuración similar al llamado experimento de Young. En su experimento, las partículas (en este caso, los positrones) se dirigen desde una fuente a un detector sensible al positrón. En el medio hay dos o más rendijas por las que pasan las partículas.

Los positrones que se comportan como partículas viajan en línea recta y producen un patrón  que refleja exactamente la rejilla que atraviesan. Pero si los positrones se comportan con naturaleza ondulatoria, aparece un patrón de interferencia diferente.

Ese nuevo patrón es generado por la superposición de las ondas emitidas por la fuente cuando viajan a través de la rejilla, tal como ocurre cuando los electrones se comportan como ondas.

De esta forma, los investigadores pudieron generar por primera vez un patrón de interferencia a partir de ondas de partículas individuales de antimateria. El resultado se obtuvo gracias a un innovador interferómetro (Talbot-Lau) diseñado para un haz de positrones de baja energía,  acoplado a un detector sensible a la posición de la emulsión nuclear.

"Nuestra observación de la dependencia energética del patrón de interferencia demuestra su origen mecánico-cuántico y, por lo tanto, la naturaleza ondulatoria de los positrones", dice la profesora Paola Scampoli, en un comunicado.

El éxito del experimento allana el camino hacia un nuevo campo de investigaciones basado en la interferometría de la antimateria, que podría proporcionar en el futuro información sobre el desequilibrio de la materia y la antimateria en el universo, entre otros posibles desarrollos.

Los investigadores se proponen además usar su nueva técnica para probar la naturaleza de otros conglomerados de antimateria, como el positronio, un átomo exótico formado por un electrón y un positrón.

Referencia

First demonstration of antimatter wave interferometry. Science Advances  03 May 2019: Vol. 5, no. 5, eaav7610. DOI: 10.1126/sciadv.aav7610