Diez átomos ultrafríos para estudiar una regla de la antimateria

Un campo eléctrico extremadamente intenso puede, según la teoría cuántica, transferir parte de su energía a la aparición de un electrón y su antipartícula, el positrón. Ese proceso, conocido como efecto Schwinger, es muy difícil de observar de manera directa: el campo necesario sería muchísimo más intenso que los que se pueden producir en un laboratorio. Un equipo internacional encontró otra vía para investigarlo: construir un sistema diminuto que siga reglas matemáticas equivalentes.

El experimento no produjo electrones ni positrones reales, y tampoco creó antimateria a partir del vacío físico. Usó diez átomos de rubidio enfriados hasta temperaturas muy bajas y ordenados en una fila de trampas formadas con luz láser, una red óptica. En esa disposición, el comportamiento colectivo de los átomos puede representar ciertos ingredientes de una teoría de campos: partículas, un campo eléctrico y un estado inicial que puede cambiar hacia otro de menor energía.

Los investigadores prepararon una cadena en la que los sitios alternos tenían dos átomos y los intermedios quedaban vacíos. Esa configuración funcionó como un “vacío falso” del modelo: un estado que parece estable, pero que puede transformarse si existe una opción de menor energía. Al permitir que un átomo se desplazara hacia un sitio vecino, la nueva distribución imitaba, dentro del simulador, la creación de un par de partículas.

Una técnica de microscopía de gases cuánticos permitió seguir esas reorganizaciones en el tiempo. El equipo ajustó las condiciones de la red para cambiar dos propiedades efectivas del modelo: la masa de las partículas simuladas y la intensidad del campo externo. La rapidez con que aparecían los pares simulados dependió de ambos parámetros. En particular, la producción se redujo cuando aumentaba la masa efectiva, un resultado coherente con lo previsto para la desintegración de un vacío falso.

La utilidad del montaje está precisamente en esa capacidad de regular las condiciones. En la física de partículas, la creación de pares por un campo eléctrico fuerte queda escondida por una barrera cuántica: para que ocurra, las partículas tendrían que atravesar una región que la física clásica no les permitiría cruzar. En la cadena de átomos, las reglas que describen ese obstáculo se reproducen en una escala accesible, de modo que se puede variar un parámetro por vez y medir qué cambia.

Los autores también exploraron un límite del modelo en que la masa efectiva se acerca a cero. Allí observaron oscilaciones en la energía y en otras magnitudes medidas que se parecen a excitaciones colectivas predichas por el modelo de Schwinger. El resultado no demuestra que esas oscilaciones ocurran de idéntica forma en el vacío del universo; muestra que el simulador reproduce una de las consecuencias de sus ecuaciones bajo condiciones controladas.

Los simuladores cuánticos son valiosos por esa diferencia entre imitar y duplicar. No reemplazan la observación directa de un fenómeno natural, pero permiten poner a prueba cómo se comportan sus modelos cuando los experimentos originales son inalcanzables. Los próximos pasos, según el equipo, incluyen ampliar la cadena a dos dimensiones y estudiar qué sucede cuando las partículas simuladas se encuentran, chocan o se dispersan. Cada extensión ayudaría a evaluar hasta dónde puede llegar este puente entre unos pocos átomos manipulables y problemas de la teoría cuántica de campos.