Hallan evidencia del fermión de Majorana, una partícula que es su propia antipartícula

Estructura de un fermión. /Wikipedia

En 1928, el físico Paul Dirac predijo que cada partícula fundamental en el universo tiene una antipartícula (un gemelo idéntico pero con carga opuesta). Según sus predicciones, cuando la partícula y la antipartícula se encontraran, serían aniquiladas liberando energía. Unos años más tarde, se descubrió la primera partícula de antimateria: el opuesto del electrón, el positrón; de tal modo que la antimateria se convirtió rápidamente en parte de la cultura popular.

Pero en 1937, otro físico, Ettore Majorana, le dio un giro a la teoría: determinó que en la clase de partículas conocidas como fermiones, que incluyen el protón, el neutrón, el electrón, el neutrino y el quark, debería haber partículas que son sus propias antipartículas. Ahora, un equipo que incluye a científicos de la Universidad de Stanford (EE.UU.) asegura haber encontrado la primera evidencia firme del que se conoce como fermión de Majorana. La partícula fue descubierta en una serie de experimentos de laboratorio sobre materiales exóticos en la Universidad de California (EE.UU.) en colaboración con la Universidad de Stanford, y los resultados han sido publicados en Science.

La predicción de Majorana se aplicaba solo a los fermiones que no tienen carga, como el neutrón y el neutrino. Los científicos han encontrado una antipartícula para el neutrón, pero tienen buenas razones para creer que el neutrino podría ser su propia antipartícula, y hay cuatro experimentos en marcha para averiguarlo, entre los que se incluye al EXO-200, la última encarnación del Observatorio de Xenón Enriquecido, en Nuevo México. Pero estos experimentos son extraordinariamente difíciles y no se espera que produzcan una respuesta durante aproximadamente una década.

Lo que han estado buscando son casi partículas: excitaciones semejantes a partículas que surgen del comportamiento colectivo de electrones en materiales superconductores, que conducen la electricidad con un 100% de eficiencia. El tipo particular de fermión de Majorana que el equipo de investigación viene buscando se conoce como un fermión "quiral" porque se mueve a lo largo de una trayectoria unidimensional en una sola dirección. Aunque los experimentos que lo produjeron eran extremadamente difíciles de concebir, configurar y llevar a cabo, la señal que produjeron fue clara e inequívoca, dijeron los investigadores.

Para ello, el equipo apiló películas delgadas de dos materiales cuánticos: un superconductor, que conduce la corriente solamente a lo largo de su superficie o bordes pero no a través de su centro, y un aislante topológico magnético. Ponerlos juntos creó un aislante topológico superconductor, donde los electrones se cierran a lo largo de dos bordes de la superficie del material sin resistencia, como los coches en una autopista. Enviaron una corriente eléctrica a través de ellos, dentro de una cámara de vacío refrigerada. Añadiendo una pequeña cantidad de material magnético, los electrones fluyeron en un sentido a lo largo de un borde de la superficie y en el contrario a lo largo del borde opuesto. Al introducir un imán, el flujo de electrones se ralentizó, se detuvo y cambió de dirección. Estos cambios no fueron suaves, sino que se produjeron en pasos abruptos.

En ciertos puntos de este ciclo, aparecieron las cuasiparticulas de Majorana, surgiendo en pares fuera de la capa superconductora y viajando a lo largo de los bordes del aislador topológico tal como lo hicieron los electrones. Un miembro de cada par fue desviado fuera del camino, permitiendo a los investigadores medir fácilmente el flujo de las cuasiparticulas individuales que seguían avanzando. Al igual que los electrones, disminuyeron la velocidad, se detuvieron y cambiaron de dirección, pero en pasos exactamente iguales a los que tomaron los electrones.

Aunque la búsqueda del famoso fermión parece más intelectual que práctica, el equipo afirmó que el hallazgo podría tener implicaciones reales en la construcción de robustas computadoras cuánticas. Dado que cada Majorana es esencialmente una mitad de una partícula subatómica, un único qubit de información podría almacenarse en dos fermiones ampliamente separados de Majorana, disminuyendo la posibilidad de que algo pudiera perturbarlos a la vez y hacerles perder la información que llevan.

Los investigadores sugieren un nombre para el fermión quiral de Majorana: la partícula de ángel, en referencia al best-seller del thriller de 2000 "Ángeles y Demonios" en el que una cofradía secreta intenta volar el Vaticano con una bomba de tiempo cuyo poder explosivo proviene de la aniquilación materia-antimateria.

Los fermiones son un tipo de partículas llamadas elementales, es decir, no se pueden dividir en otras partículas. Sin embargo, hay otras, denominadas compuestas, como los mesones y los bariones. Estos últimos contienen tres quarks, algunos gluones y algunos antiquarks. Hay seis tipos de quarks —conocidos como sabores—: arriba, abajo, encanto, verdad, extraño y belleza. Mezclar los sabores, según la teoría, produce una gran variedad de extraños bariones, muchos de los cuales aún no han sido observados en el mundo real. Recientemente, investigadores del experimento LHCb (uno de los siete sobre partículas que se desarrollan en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN) han anunciado el descubrimiento de una nueva partícula, denominada Xicc ++, un barión (partículas que componen la mayoría de la materia, incluyendo protones y neutrones) cuyo hallazgo podría echar luces cómo funcionan las fuerzas que mantienen unidos a los quarks en el universo.

Beatriz de Vera
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