La mayoría de los átomos están formados por protones cargados positivamente, neutrones neutros y electrones cargados negativamente. El positronio es un átomo exótico que consta de un único electrón negativo y un positrón de antimateria cargado positivamente. Naturalmente, esto es de muy corta duración, pero los investigadores, incluidos los de la Universidad de Tokio, han logrado enfriar y ralentizar muestras de positronio utilizando láseres cuidadosamente diseñados. Esperan que la 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 una afirmación tan extraña. Los científicos razonan que 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 en cierto modo lo opuesto a la materia ordinaria, en el sentido de que las partículas de antimateria tienen la misma masa y otras propiedades que sus homólogas de materia comparten, pero comparten su carga. está al revés. Cuando las partículas de materia y antimateria chocan, se aniquilan y se cree ampliamente que fueron creadas en cantidades iguales al principio 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 discrepancia, y con nuestras últimas investigaciones hemos dado un paso en esa dirección”, afirmó el profesor asociado Kosuke. un gran paso”, dijo el profesor asociado Kosuke. Yoshioka del Centro de Ciencias de Fotones. “Hemos ralentizado y enfriado con éxito átomos exóticos de positronio, que es 50 por ciento de antimateria. Esto significa que, por primera vez, se puede detectar de maneras que antes eran imposibles, y esto necesariamente implicará un estudio más profundo de la antimateria”.
El positronio suena como algo sacado directamente de la ciencia ficción y, aunque tiene una vida muy corta, es en gran medida real. Piense en ello como el conocido átomo de hidrógeno, con su protón central, cargado positivamente y relativamente grande, y electrones más pequeños, cargados negativamente, en órbita, excepto que reemplaza el protón con la versión antimateria del electrón, el positrón. Esto da como resultado un átomo extraño que es eléctricamente neutro pero que no tiene un núcleo grande. En cambio, el electrón y el positrón están en órbitas mutuas, lo que lo convierte en un sistema de dos cuerpos. Incluso el hidrógeno es un sistema de muchos cuerpos, ya que un protón está formado en realidad por tres partículas diminutas, llamadas quarks, unidas entre sí. Y dado que 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 gran precisión.
“Para investigadores como nosotros, al utilizar lo que se llama espectroscopia de precisión, poder medir 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 que está compuesto íntegramente de sólo dos partículas elementales, lo que permite realizar cálculos tan precisos. La idea de enfriar el positronio existe desde hace unos 30 años, pero los estudiantes universitarios conocen a Kenji Shu, que ahora es un comentario poco común. Un profesor asistente de mi grupo me animó a asumir el desafío de lograrlo, y finalmente lo hicimos”.
Yoshioka y su equipo enfrentaron varias dificultades que superar al intentar enfriar el positronio. En primer lugar, está el problema de su corta vida útil: diez millonésimas 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 otro material para enfriar el positronio, por lo que el equipo usó un láser. Puede 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 los efectos físicos que tiene sobre un objeto. En este caso, un láser débil y finamente sintonizado empuja suavemente el átomo de positronio en la dirección opuesta a su movimiento, ralentizándolo y enfriándolo en el proceso. Haga esto una y otra vez y lo más frío que puede llegar a ser es aproximadamente 1 grado bajo el cero absoluto (-273 grados Celsius) en diezmillonésimas de segundo de enfriamiento de gas positronio. Antes de enfriarse, el gas positronio está a 600 Kelvin, o 327 grados Celsius, un cambio bastante dramático en tan poco tiempo.
“Nuestras simulaciones por computadora basadas en modelos teóricos sugieren que el gas positronio puede ser incluso más frío de lo que podemos medir actualmente en nuestros experimentos. Esto significa que nuestro láser de enfriamiento único puede reducir la temperatura del positronio. “Es muy eficiente y, con suerte, los conceptos puede ayudar a los investigadores a estudiar otros átomos exóticos”, afirmó Yoshioka. “Sin embargo, en este experimento sólo se utilizó un láser en una dimensión y, si utilizamos los tres, podremos medir las propiedades del positronio con mayor precisión. Estos experimentos serán importantes porque podemos detectar la antimateria. Si la antimateria se comporta de manera diferente que la materia normal debido a a la gravedad, podría ayudar a explicar por qué falta algo de nuestro universo”.
