¿Puede una entidad única ser materia y antimateria al mismo tiempo?

El misterio de las partículas de Majorana

«La materia es materia, y la antimateria es antimateria, y nunca ambos se encontrarán». Esta línea suena como una afirmación poética, y tal vez más que el poema original de Rudyard Kipling sobre el Este y el Oeste (The Ballad of East and West). Después de todo, si se encuentra la materia con la antimateria, está asegurada su mutua destrucción, puesto que se «aniquilarán» en un destello de luz.

¿O tal vez no? Casi tan pronto como surgió la antimateria en escena hace 80 años, vino acompañada de otra posibilidad: que ciertas partículas, llamadas partículas de Majorana podían ser materia y antimateria al mismo tiempo. Esto podría ayudarnos a precisar la identidad de esa supuesta materia oscura que domina el cosmos, y discriminar entre las mejores teorías candidatas del todo. Incluso podría explicar el misterio más grande de la materia: ¿por qué existe la materia?

Sin embargo, hasta ahora la búsqueda de estas intrigantes y ambiguas entidades no ha dado fruto. Algunos piensan que nos atraviesan a millones cada segundo, pero no pueden probarlo. Otros dicen que podrá llegar una identificación positiva por medio del Gran Colisionador de Hadrones, en el laboratorio de física de partículas del CERN, cerca de Ginebra, Suiza. Pero hasta el momento, nada hay.

Avistamiento sólido

Sin embargo, ahora parecen que se han observado estos híbridos de materia-antimateria, pero no en los rayos cósmicos o en los restos de las colisiones de partículas, sino atrapados en las entrañas de un superconductor sólido. ¿Se habrá resuelto por fin el misterio de las partículas de Majorana?

Ettore Majorana tenía talento para el enigma. El hábil físico italiano desapareció en algún lugar de la ruta de Palermo a Nápoles, en la primavera de 1938,. Todavía emociona recordar las animadas discusiones. ¿Suicidio? ¿Secuestro? ¿Una artimaña para escapar de los ojos del público?

Las partículas que llevan su nombre no son menos enigmáticas. Tienen su origen en una modificación, aparentemente inocua, que hizo Majorana de una ecuación derivada del físico teórico británico Paul Dirac en 1928. La ecuación de Dirac encaja perfectamente con la mecánica cuántica y la relatividad de Einstein al describir cómo se comportan los electrones y, junto con ellos, todos los demás fermiones, pilares fundamentales de la materia.

La ecuación de Dirac fue una revelación. Primero se demostró que los electrones, en un campo magnético, actúan de dos maneras posibles, distinguidas por los diferentes valores de una propiedad mecánica cuántica llamada espín. Pero estos estados de espín eran sólo dos de las cuatro apariencias posibles para el electrón que hacía posible la ecuación. Las otras dos tenían el mismo aspecto, pero tenían algún tipo de energía «negativa».

Aunque no estaba muy claro lo que esto podría significar, eso cambió en 1932, cuando el físico estadounidense Carl Anderson descubrió que el camino de un electrón tomaba una curva enteramente equivocada cuando pasaba a través del campo magnético de su detector de rayos cósmicos. Había encontrado positrones: unas partículas como los electrones, pero con la carga eléctrica contraria, positiva. Acababa de hacer su debut la antimateria.

Desde entonces, la antimateria se ha convertido en un elemento básico de la ciencia real y de la ficción, encantada por su hábito de destruirse a sí misma y a la materia cada vez que se encontraban. Alberga grandes misterios: En el Big Bang tuvieron que formarse unas cantidades exactamente iguales de materia y antimateria, por lo que deberían haberse aniquilado del todo. Por qué sobrevivió esa materia que forma las estrellas, los planetas y las personas sigue siendo una de las grandes preguntas existenciales de la cosmología.

En la formulación original de Dirac, sólo las partículas cargadas eléctricamente tenían antipartículas. El ajuste de Majorana produjo también las antipartículas de las partículas sin carga. Indistinguibles por su carga, una partícula y su antipartícula serían absolutamente idénticas. De hecho, sería una partícula que contiene todas las cualidades de ambas.

La idea suena ligeramente absurda, pero se puede probar. «Si una partícula es su propia antipartícula, entonces si están juntas se pueden aniquilar», señala el teórico Frank Wilczek, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology, o MIT). Las partículas de Majorana se destruyen a sí mismas.

Técnicamente, esto no tiene precedentes. El modelo estándar actual acerca de la materia predice que, de manera absoluta, cada partícula tiene una antipartícula: el fotón sin carga y sin masa, por ejemplo, es su propia antipartícula, y ambos fotones se aniquilan en las raras ocasiones en que interactúan. No obstante, el fotón es un «bosón» (transmisor de fuerza), pero ver un fermión (formador de materia) destruirse a sí mismo sería algo completamente distinto.

Hasta el momento se nos ha negado el espectáculo. El punto más candente es que los neutrinos puedan ser partículas de Majorana disfrazadas. Estas partículas esquivas y sin masa pasan a miles de millones cada segundo a través de la Tierra sin interactuar con nada. Sabemos de tres tipos y cada uno parece tener un antineutrino equivalente que participa en las reacciones de la partícula de muy distinta forma. Sin embargo, muchas de las rutas que favorecen una teoría unificada de todas las fuerzas de la naturaleza sugieren que esto no es más que una ilusión. «Los neutrinos y los antineutrinos podrían ser la misma cosa, de lo que sólo vemos sus diferentes estados de movimiento», apunta Wilczek.

El problema es que el carácter tan esquivo de los neutrinos hace casi imposible decirlo de manera concluyente. Ahora, sin embargo, después de un inesperado giro de acontecimientos, por fin hemos topado con algo sólido con lo cual dar un paso adelante.

La mitad de un electrón…

Un superconductor puede parecer un material inverosímil sobre el cual espiar a la antimateria. Un positrón tendría, ciertamente, dificultades para sobrevivir entre la miríada de electrones que pululan por cualquier tipo de conductor. Pero si una cosa ha quedado clara desde los primeros días de la física cuántica, es que hay ciertos materiales que albergan su propia versión de anti-electrones: los huecos.

«Un hueco es la ausencia de un electrón donde lo normal es que lo hubiera», explica Marcel Franz, físico de la Universidad de British Columbia en Vancouver, Canadá. Estos huecos se mueven libremente a través de ciertos conductores y llevan una carga positiva igual y opuesta a la del electrón. Comprender cómo funciona un transistor de silicio es imposible sin aceptar la existencia de estos huecos. Cuando un electrón y un hueeco se encuentran, se aniquilan, el electrón salta dentro del hueco, pero ni el electrón ni el agujero hueco conducir nada.

La espectral existencia de los huecos sugiere una manera de crear una partícula de Majorana. Comencemos con la mitad de un electrón y la mitad de un hueco, se combinan los dos y tenemos un fermión sin carga y, en general, de energía cero. «Este estado sólido de Majorana sería una partícula «nada», comenta Leo Kouwenhoven, de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. «Es un gran cero».

Pero, espera un momento, un electrón es una partícula elemental que no puede separarse, eso es cierto, pero tampoco nos dice nada sobre las cosas extrañas que ocurren en los superconductores. A temperaturas muy bajas, los electrones y los huecos pierden sus identidades individuales y empiezan a comportarse básicamente como una partícula cuántica más grande, que fluye en conjunto a través del material sin resistencia. «Es un poco como una ola [de aficionados] en un estadio», dice Kouwenhoven. «Se puede describir como un montón de individuos saltando arriba y abajo por separado. O se puede describir como una onda.»

La clave de creación de Majorana fue elaborada en 2010. Se trataba de la inducción de superconductividad en un material en el que los electrones tenían muy poco espacio de maniobra, como es un cable unidimensional (Physical Review Letters, vol 105, p 077001 y p 177002). Resulta entonces como si la ola de aficionados se viese interrumpida en sus extremos. Las cosas empiezan a desprenderse, y en esos trozos desprendidos podemos hallar un pequeño fragmento de electrón, un pequeño hueco, y cada fragmento es una partícula de Majorana. «Teóricamente, no cabe duda de que las partículas de Majorana deberían aparecer en estos montajes bajo las condiciones adecuadas», señaló Franz.

Kouwenhoven y su equipo ahora han podido atraparlo. Permitiendo que la superconductividad tenga «fugas» de un superconductor hacia uno vecino, un cable semiconductor restringido a nanoescala, las entidades surgen en los extremos de los nanocables con energía y carga cero. Al aplicarles un campo eléctrico o magnético ni se mueven, que es exactamente el comportamiento que se espera de una «nada», de una partícula híbrida de materia-antimateria (Science, DOI: 10.1126/ science. 1222360). En febrero de este año, David Goldhaber-Gordon y su equipo, de la Universidad de Stanford, California, también anunciaron evidencias de las partículas de Majorana en un entorno de material sutilmente diferente (arxiv.org/abs/1202.2323).

Se necesitan pruebas adicionales para confirmar la naturaleza de estos hallazgos, hay grandes esperanzas. «La observación de estas partículas en dispositivos en estado sólido podría demostrar la existencia de estas partículas en la naturaleza», explica Franz, que no participó con los equipos de experimentación. «Mi conjetura es que lo conseguiremos en uno o dos años.»

Estas partículas de Majorana manufacturadas son buscadas como bits funcionando con los super-potentes ordenadores cuánticos. Pero existe la sensación de que todavía no han dado con el quid de la cuestión: da la impresión de un enorme felino enjaulado en un zoológico en lugar de estar vagando libremente por la sabana.

Aparte de los que siguen al acecho del neutrino, con la esperanza de observar un comportamiento similar al de Majorana, los cazadores de partículas del LHC parecen tener la mejor oportunidad para cazarlas. El LHC está en la búsqueda del bosón de Higgs, con lo que esperan completar el modelo estándar, y también hay signos de otra gran teoría. El principal candidato es una construcción conocida como Supersimetría, que propone que todas las partículas del modelo estándar tiene un pesada «superpareja» aún sin descubrir. Por cada fermión, hay un super-bosón, y por cada bosón hay un súper-fermión.

Lo real de la materia

Tomemos el bosón de Higgs. Se trata de una partícula sin carga que se piensa que le da su masa a las demás. Pero traigamos a dos «Higgsinos», sus pares súper-fermiones juntos, y podríamos lograr una demostración espectacular de destrucción de masa: se aniquilarían en un revoltijo de otras partículas. Otras partículas supersimétricas también deberían actuar como partículas Majorana. Dichas partículas son las principales candidatas para las «partículas masivas de interacción débil, o WIMPs», que podrían constituir la materia oscura, esas conjeturadas y enigmáticas tres cuartas partes de la masa del universo que no podemos ver. «Si es así, las partículas de Majorana serían lo más común del universo», resalta Kouwenhoven. La aniquilación constante de estas oscuras partículas Majorana podrían ser responsables del exceso de positrones de alta energía cósmica observado por los detectores.

Hasta ahora, el LHC no ha conseguido ver prueba alguna de nada supersimétrico, por no hablar de algo similar a las partículas de Majorana. Sin embargo, Wilczek, piensa que esto podría cambiar en los próximos años, «no estamos hemos llegado aún, pero estamos cerca», señala.

La determinación de si los neutrinos son partículas de Majorana, por su parte, podría decirnos por qué existe ‘algo’ en lugar de ‘nada’. Si los neutrinos y antineutrinos son partículas distintas, se habrían producido a partes iguales en el Big Bang. En las condiciones de altísima energía de los inicios del universo, cada una de ellas se fue desintegrando por igual en todo tipo de otras partículas y antipartículas. Pero si los neutrinos y antineutrinos son la misma partícula, podría desintegrarse en partículas o antipartículas a voluntad. No hay garantía de que esas desintegraciones hubieran ocurrido en las mismas tasas: la desintegración de las partículas puede haber superado ligeramente la desintegración de antipartículas. «Se necesita sólo una pequeña diferencia, pero sería suficiente para crear el universo tal como lo vemos», declara Silvia Pascoli, físico de partículas de la Universidad de Durham, Reino Unido.

Demostrar este escenario directamente requeriría un acelerador de partículas que pudiera recrear la increíblemente caliente y densa primera fracción de un segundo del cosmos (una máquina 10 millones de veces más potente que el LHC). Así que, tal vez deberíamos estar agradecidos por las ojeadas que nos pueda ofrecer el súper-enfriado cable de un laboratorio bajo tierra. El misterio de Majorana continúa, pero estamos un paso más cerca de su resolución.

Anexo I – Nada que hacer

¿Podrían ser los neutrinos híbridos de materia-antimateria? Su estado «Majorana» se ha sospechado desde hace mucho tiempo. La prueba definitiva, sin embargo, sólo podría venir si se comprueba que los neutrinos se aniquilan entre sí. Pero ya es bastante difícil conseguir que los neutrinos interactúen con los detectores, y de esta forma medir sus propiedades. Conseguir que dos neutrinos interactúen entre sí en condiciones terrenales sería llevar el problema a su cuadrado.

Una solución podría ser la de observar un proceso radioactivo conocido como doble desintegración beta sin neutrino. La desintegración beta convencional implica la emisión de un antineutrino, pero unos cuantos núcleos sometidos a dos desintegraciones sucesivas, producen dos antineutrinos. Si el neutrino es su propia antipartícula —por lo que el antineutrino es un neutrino con distinto nombre—, entonces estos antineutrinos se encuentran y aniquilan en la emisión, dando lugar a un producto sin neutrinos. «Es una manera muy torpe para investigar la cuestión de Majorana, pero es a lo mejor que hemos llegado», comenta Frank Wilczek, del Massachusetts Institute of Technology.

Es también bastante incómodo, un trabajo paciente: se espera que suceda una desintegración sin neutrinos en un átomo susceptible sólo una vez cada 1025 años. En 2001, un grupo de físicos alemanes y rusos, sugirieron que habían visto unos pocos casos de este proceso, después de observar desintegraciones de germanio-76 durante más de 10 años (Modern Physiscs Letters A, vol 16, p 2409), aunque sigue siendo un resultado debatido.

La colaboración Majorana tiene ahora el objetivo de romper este estancamiento. La participación de más de 100 físicos de cuatro países, pretenden mantener su vigilancia sobre una tonelada o más de germanio, un prototipo de 40 kilogramos, el Demostrador de Majorana, que se está construyendo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México (arxiv. org/abs/1109.4790).

Anexo II – Lógica difusa

No se trata sólo de probar los principios básicos de la materia y la antimateria lo que motiva a los investigadores a perseguir a las partículas de Majorana. «Los estados Majorana se persiguen con vehemencia, ya que permitirían algo que se llama computación cuántica topológica», aduce Laurens Molenkamp, de la Universidad de Würzburg en Alemania.

Los físicos han soñado durante mucho tiempo poder codificar la información de los estados cuánticos de las partículas, por ejemplo, en la dirección de su «spin» mecánico-cuántico. La borrosa lógica de la teoría cuántica implica que las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez, y eso significa un beneficio beneficio de cálculo para los ordenadores. Pero hay un enorme obstáculo por superar: los estados cuánticos son extraordinariamente delicados, y se derrumban a la menor alteración de su entorno.

No así los bits de Majorana. Una consecuencia de la forma en que se plantean en los superconductores es que siempre vienen en pares que, aun separados espacialmente, codifican la misma información. Esto le ofrece mayor robustez gracias a la redundancia: si uno de los dos pares obtiene la información limpia, el otro también lo tiene.

No sirve de mucho si, tan pronto como se encuentren ambos bits, se aniquilan uno al otro. Pero la belleza de las partículas de Majorana es que no tienen que interactuar para que puedan ser usadas en la informática. Podemos cambiar el estado cuántico de un par Majorana al mismo tiempo con sólo moverlo alrededor del otro. Guiando estos movimientos sinuosos de una forma pre-determinada, se puede, efectivamente, ejecutar toda una serie de pasos de computación: un algoritmo.

Si se confirman las observaciones recientes, se marcharía a toda velocidad con los intentos de aprovechar este tipo de cálculos numéricos «topológicos». «Hace cinco años esto era pura fantasía», señala el teórico Frank Wilczek. «Las ideas teóricas han ido muy por delante, pero ahora los experimentos se están poniendo al día, y esto es realmente emocionante».

Fuente: Bitnavegante y New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti

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