La mayoría de los átomos están formados por protones cargados positivamente, neutrones neutros y electrones cargados negativamente. El positronio es un átomo exótico compuesto por un único electrón negativo y un positrón de antimateria cargado positivamente. Naturalmente, su duración es muy corta, pero investigadores de la Universidad de Tokio han logrado enfriar y ralentizar muestras de positronio utilizando láseres cuidadosamente sintonizados. Esperan que esta investigación ayude a otros a explorar formas exóticas de materia y que dicha investigación pueda revelar los secretos de la antimateria.
Algo falta en nuestro universo. Si ha leído mucho sobre cosmología en las últimas décadas, probablemente haya escuchado declaraciones tan extravagantes. Los científicos dicen esto porque casi todo lo que vemos en el universo está hecho de materia, incluido usted y el planeta en el que se encuentra. Sin embargo, conocemos desde hace mucho tiempo la antimateria, que, como su nombre indica, es lo opuesto a la materia normal, en el sentido de que las partículas de antimateria comparten la misma masa y otras propiedades que sus opuestas a la materia, pero tienen una carga opuesta. Cuando las partículas de materia y antimateria chocan, se aniquilan, y se cree ampliamente que fueron creadas en cantidades iguales en los albores de los tiempos. Pero eso no es lo que estamos viendo ahora.
“La física moderna representa sólo una fracción de la energía total del universo. El estudio de la antimateria puede ayudarnos a explicar esta disparidad, y hemos dado un gran paso en esta dirección con nuestra reciente investigación”, dijo el profesor asociado Kosuke Yoshioka de el Centro de Ciencia de Fotones. “Hemos ralentizado y enfriado con éxito el átomo exterior de positronio, que es un 50% de antimateria. Esto significa que, por primera vez, se puede explorar de una manera que antes era imposible, y esto sin duda implicará un estudio más profundo de la antimateria. “.
El positronio parece sacado directamente de la ciencia ficción y, a pesar de tener una vida muy corta, es algo real. Piense en ello como el conocido átomo de hidrógeno, con un protón central, cargado positivamente y relativamente grande, y pequeños electrones cargados negativamente en órbita, a menos que cambie el protón por la versión de antimateria del electrón, el positrón. Esto produce un átomo exterior que es eléctricamente neutro pero que no tiene un núcleo grande; En cambio, el electrón y el positrón existen en órbitas recíprocas, creando un sistema de dos cuerpos. Incluso el hidrógeno es un sistema multicuerpo, porque un protón está formado en realidad por tres partículas diminutas, llamadas quarks, unidas. Y como el positronio es un sistema de dos cuerpos, puede describirse completamente mediante teorías matemáticas y físicas tradicionales, lo que lo hace ideal para probar predicciones con extrema precisión.
“Para investigadores como nosotros, involucrados en la llamada espectroscopia de precisión, poder examinar con precisión las propiedades del positronio frío significa que podemos compararlas con cálculos teóricos precisos de sus propiedades”, dijo Yoshioka. “El positronio es uno de los pocos átomos compuestos enteramente por sólo dos partículas elementales, lo que permite realizar cálculos tan precisos. La idea de enfriar el positronio existe desde hace unos 30 años, pero el estudiante graduado Kenji Shu, que ahora es un comentarista informal “Un profesor asistente de mi grupo me instó a asumir el desafío de lograrlo y finalmente lo hicimos”.
Yoshioka y su equipo tuvieron que superar varios problemas al intentar enfriar el positronio. En primer lugar, está el problema de su corta vida útil: una diezmillonésima de segundo. En segundo lugar, tiene una masa extremadamente ligera. Debido a que es tan liviano, no se puede usar una superficie física fría u otra sustancia para enfriar el positronio, por lo que el equipo usó láseres. Se podría pensar que los láseres son muy calientes, pero en realidad son solo paquetes de luz, y es la forma en que se usa la luz lo que determina el efecto físico que tiene sobre algo. En este caso, un láser débil y finamente sintonizado empuja suavemente un átomo de positronio en la dirección opuesta a su movimiento, ralentizándolo y enfriándolo en el proceso. Repita esto y entre 1 y diez millonésimas de segundo de gas positronio pueden enfriar cualquier cosa, aproximadamente 1 grado por encima del cero absoluto (-273 grados Celsius). Un determinado gas positronio se encuentra a 600 Kelvin, o 327 grados Celsius, antes de enfriarse, un cambio dramático en un período de tiempo tan corto.
“Nuestras simulaciones por computadora basadas en modelos teóricos sugieren que el gas positronio se puede enfriar incluso más de lo que podemos medir actualmente en nuestros experimentos. Esto implica que nuestro láser de enfriamiento único es muy efectivo para reducir la temperatura del positronio y, con suerte, los conceptos pueden ayudar a los investigadores a estudiar otros átomos exóticos”, afirma Yoshioka. “Sin embargo, este experimento sólo utilizó un láser en una dimensión y si usáramos las tres, podríamos medir las propiedades del positronio con mayor precisión. Estos experimentos serán importantes porque podremos estudiar el efecto de la gravedad sobre la antimateria. La antimateria es materia regular debido a la gravedad, se comporta de manera diferente, entonces podría ayudar a explicar por qué faltan partes de nuestro universo”.