CERN: Salto cuántico para las mediciones de antimateria

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La demostración del primer bit cuántico de antimateria allana el camino para pruebas sustancialmente mejoradas de las simetrías fundamentales de la naturaleza

La física Barbara Latacz trabajando en el experimento BASE (Crédito de la imagen: CERN)

En un gran avance para la investigación de la antimateria, la colaboración BASE en el CERN ha mantenido un antiprotón (la contraparte de antimateria de un protón) oscilando suavemente entre dos estados cuánticos diferentes durante casi un minuto mientras estaba atrapado. El logro, publicado hoy en un artículo en la revista Nature, marca la primera demostración de un bit cuántico de antimateria, o cúbit, y allana el camino para comparaciones sustancialmente mejoradas entre el comportamiento de la materia y la antimateria.

Partículas como el antiprotón, que tiene la misma masa pero una carga eléctrica opuesta a la de un protón, se comportan como imanes de barra en miniatura que pueden “apuntar” en una de dos direcciones dependiendo de su espín mecánico cuántico subyacente.

Carga-paridad-tiempo
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Medir la forma en que estos llamados momentos magnéticos cambian, mediante una técnica llamada espectroscopia de transición cuántica coherente, es una herramienta poderosa en la detección cuántica y el procesamiento de información. También permite realizar pruebas de alta precisión de las leyes fundamentales de la naturaleza, incluyendo la simetría de carga-paridad-tiempo. Esta simetría dicta que la materia y la antimateria se comportan de forma idéntica, lo cual contradice la observación de que la materia supera ampliamente a la antimateria en el universo.

Ah… esas partículas ‘rebeldes’
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Las partículas poseen características cuánticas que desafían nuestro sentido común, como la de interferir consigo mismas, como se demostró en el experimento de la doble rendija. Las interacciones con el entorno circundante pueden suprimir rápidamente estos efectos de interferencia mediante un proceso conocido como de coherencia cuántica. Preservar la coherencia es esencial para controlar y rastrear la evolución de los sistemas cuánticos, como las transiciones entre los estados de espín de un antiprotón.

Logro en la fábrica de la antimateria
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Si bien ya se han observado transiciones cuánticas coherentes en grandes conjuntos de partículas y en iones atrapados, nunca se han observado en un solo momento magnético nuclear libre, a pesar de que este último ocupa un lugar destacado en los libros de texto de física. La colaboración BASE lo ha logrado en la fábrica de antimateria del CERN.

El columpio cuántico
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En algunos aspectos, la hazaña puede compararse con empujar a un niño en un columpio de patio de recreo. Con el empujón adecuado, el columpio se desplaza hacia adelante y hacia atrás en un ritmo perfecto. Ahora imagine que el columpio es un único antiprotón atrapado que oscila entre sus estados de espín “arriba” y “abajo” en un ritmo suave y controlado. La colaboración BASE ha logrado esto utilizando un sofisticado sistema de trampas electromagnéticas para dar a un antiprotón el “empujón” adecuado en el momento adecuado. Y como este columpio tiene propiedades cuánticas, el espín-cúbit de antimateria puede incluso apuntar en diferentes direcciones al mismo tiempo cuando no se observa.

¿Al borde de una nueva física?
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El experimento BASE estudia los antiprotones producidos en la fábrica de antimateria del CERN almacenándolos en trampas electromagnéticas de Penning y alimentándolos uno por uno en un segundo sistema de trampas múltiples para, entre otras cosas, medir y cambiar sus estados de espín. Usando esta configuración, la colaboración BASE ha podido demostrar previamente que las magnitudes de los momentos magnéticos del protón y el antiprotón son idénticas dentro de unas pocas partes por mil millones. Cualquier pequeña diferencia en sus magnitudes rompería la simetría de carga-paridad-tiempo y apuntaría a una nueva física más allá del Modelo Estándar de física de partículas.

Sin embargo, este resultado previo se basaba en una técnica de espectroscopia incoherente en la que las transiciones cuánticas se veían perturbadas por fluctuaciones del campo magnético e interferencias en las mediciones. En una mejora sustancial del experimento, se suprimieron y eliminaron estos mecanismos de decoherencia, lo que culminó en la primera espectroscopia coherente de un espín de antiprotón. El equipo de BASE ha logrado esto durante un período de 50 segundos, denominado tiempo de coherencia de espín.

“Esto representa el primer cúbit de antimateria y abre la posibilidad de aplicar todo el conjunto de métodos de espectroscopía coherente a sistemas individuales de materia y antimateria en experimentos de precisión”, explicó Stefan Ulmer, portavoz del proyecto BASE. “Y lo más importante, ayudará a BASE a realizar mediciones del momento del antiprotón en futuros experimentos con una precisión entre 10 y 100 veces superior”.

Si bien los cúbits son los componentes básicos de las computadoras cuánticas, que permiten almacenar información no solo en uno de dos estados sino a través de una superposición potencialmente ilimitada de esos estados, es poco probable que el cúbit de antimateria demostrado por BASE tenga aplicaciones inmediatas fuera de la física fundamental.

Se espera un avance aún mayor en la precisión de las mediciones de antiprotones con BASE-STEP, diseñado para permitir el transporte por carretera de antipartículas atrapadas a entornos magnéticos más tranquilos que la fábrica de antimateria. «Una vez que esté completamente operativo, nuestro nuevo sistema de trampa de precisión Penning fuera de línea, que se alimentará con antiprotones transportados por BASE-STEP, podría permitirnos alcanzar tiempos de coherencia de espín incluso diez veces superiores a los de los experimentos actuales, lo que supondrá un punto de inflexión en la investigación de la antimateria bariónica», afirmó Barbara Latacz, autora principal del artículo.

Cita
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El paper Coherent spectroscopy with a single antiproton spin fue publicado en la revista Nature. Autores: B. M. Latacz, S. R. Erlewein, M. Fleck, J. I. Jäger, F. Abbass, B. P. Arndt, P. Geissler, T. Imamura, M. Leonhardt, P. Micke, A. Mooser, D. Schweitzer, F. Voelksen, E. Wursten, H. Yildiz, K. Blaum, J. A. Devlin, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, A. Soter, J. Walz, Y. Yamazaki, C. Smorra & S. Ulmer (autor correspondiente)
El artículo A quantum leap for antimatter measurements fue publicado en la sección de noticias del sitio web del CERN