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

El misterio de la partícula de Majorana. ¿Puede una sola entidad ser materia y antimateria, al mismo tiempo? Parece que si. 

OH, la materia es materia y la antimateria es la antimateria, y nunca las dos se encontrarán. Esa línea tiene un anillo de verdad poética en ella - tal vez más que la original balada acerca del este y el oeste de Rudyard Kipling. Después de todo, si la materia y la antimateria se encuentran, su mutua destrucción está asegurada, ya que se "aniquilan" en un destello de luz.



Lo hacen? Casi tan pronto como la antimateria apareció en el escenario hace 80 años, otra posibilidad fue sugerida: que ciertas partículas, llamadas partículas de Majorana en honor a su proponente, podrían ser materia y antimateria, al mismo tiempo. Demostrar esto sería una gran cosa. Ello nos podría ayudar a precisar la identidad de la materia oscura la cual se cree domina el cosmos, y discriminar entre las candidatas para una mejor teoría , que abarque todo lo concerniente de cómo funciona la materia. Incluso podría explicar el misterio más grande de la materia: ¿por qué existe?.

Sin embargo, hasta ahora las búsquedas de estas entidades intrigantes y ambiguas no han dado resultado. Algunos piensan que pasan a través de nosotros por millones cada segundo, pero escacean las pruebas que lo confirmen. Otros dicen que una identificación positiva vendrá del Gran Colisionador de Hadrones, del CERN cerca de Ginebra, Suiza. El cual hasta el momento, no ha encontrado nada.


Ahora, sin embargo, estos híbridos de materia-antimateria parecen haber sido observados- no en los rayos cósmicos o el detritus de las colisiones de partículas, sino atrapados en las entrañas de un 

href="http://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividad" target="_blank">superconductor sólido. ¿Ha sido el misterio de las partículas de Majorana finalmente resuelto?

Ettore Majorana tenía un talento enigmático. La desaparición del físico italiano, en algún lugar en la ruta de Palermo a Nápoles, en la primavera de 1938, todavía enciende un animado debate.Fue suicidio? fue secuestrado? o se escondió como 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 Majorana hizo a una ecuación derivada por el físico teórico británico Paul Dirac en 1928 (ver aquí) . La ecuación de Dirac une a la mecánica cuántica y la relatividad especial de Einstein para describir cómo se comportan los electrones - y con ellos todas las demás partículas "fermiónicas", los pilares fundamentales de la materia.

La ecuación de Dirac fue una revelación (ver aquí). En primer lugar, demostró que los electrones en un campo magnético actúan en una de dos maneras, que se distinguen por diferentes valores de una propiedad mecánica cuántica llamada spín. Pero estos estados de spín eran sólo dos de cuatro posibles aspectos para el electrón que la ecuación hizo posible. Los otros dos tenían el mismo aspecto, pero tenían algún tipo de energía "negativa".


No estaba inmediatamente claro lo que esto podría significar. Eso cambió en 1932, cuando el físico estadounidense Carl Anderson descubrió un electrón curveando completamente por el camino equivocado a su paso por el campo magnético de su detector de rayos cósmicos. Había encontrado a los positrones: partículas justo como los electrones, pero con la contraria, carga eléctrica positiva. La antimateria había hecho su debut.

De hecho la antimateria se ha convertido en un elemento básico de la ciencia y la ficción, seduciéndo por su hábito de destruirse a sí misma y la materia cada vez que las dos se encuentran. Alberga grandes misterios: exactamente iguales cantidades de materia y antimateria deberían haberse creado en el big bang, por lo que todo debería haber sido aniquilado. ¿Por qué algo de la materia sobrevivió para hacer las estrellas, los planetas y las personas , esta 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 también produjo antipartículas para las partículas sin carga. Indistinguible incluso por su carga, tal partícula y su antipartícula serían absolutamente idénticas. De hecho, sería una partícula que contiene todas las cualidades de ambas simultáneamente.

La idea suena ligeramente absurda - pero se puede probar. "Si una partícula es su propia antipartícula, entonces, si dos de ellas se juntan se pueden aniquilar", dice el teórico Frank Wilczek, del Massachusetts Institute of Technology. Las partículas de Majorana se comerían ellas mismas.

Eso no es técnicamente sin precedentes. El modelo estándar actual del funcionamiento de la materia predice que absolutamente cada partícula tiene una antipartícula: el fotón sin carga y sin masa, por ejemplo, es su propia antipartícula, y dos fotones se aniquilan entre si las raras ocasiones en que interactúan. Sin embargo, el fotón es un bosón portador de fuerza ,y ver a un fermión componente de la materia comiéndose a el mismo en sí sería algo completamente distinto.

Hasta el momento se nos ha negado el espectáculo. La noticia más caliente es que los neutrinos podrían ser partículas de Majorana encubiertas. Estas elusivas partículas sin carga pasan a través de la Tierra en miles de millones cada segundo sin interactuar con nada. Sabemos de tres tipos y cada uno parece tener un equivalente antineutrino que participa en las reacciones de las partículas de manera muy diferente. Sin embargo, muchas rutas favorecidas para una teoría unificada de todas las fuerzas de la naturaleza sugieren que esto es una ilusión. "Los neutrinos y antineutrinos podrían ser la misma cosa, solo que observados en diferentes estados de movimiento", dice Wilczek.


El problema es que el carácter muy esquivo de los neutrinos hace casi-imposible el afirmarlo de forma concluyente . Ahora, sin embargo, un resultado desde un lugar inesperado podría, por fin habernos dado algo sólido para seguir adelante.


Un superconductor podría parecer un inverosímil material sobre el cual espiar la antimateria. Un positrón sería dificil que sobreviva entre los miles de electrones que pululan por cualquier tipo de conductor. Pero desde los primeros días de la física cuántica ha quedado claro que ciertos materiales tienen su propia versión de los anti-electrones: los huecos.


"El hueco es una ausencia de un electrón en donde un electrón por lo general estaría", dice Marcel Franz, un 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. La comprensión de cómo funciona un transistor de silicio es imposible sin la aceptación de que los huecos existen. Cuando un electrón y un hueco se encuentran, se "aniquilan": el electrón salta en el hueco y ningún electrón ni hueco estará alli para seguir conduciendo.

La existencia espectral de huecos sugiere una manera de hacer una partícula de Majorana. Comience con la mitad un electrón y la otra mitad un hueco, combine los dos trozos y tiene un fermión sin carga, el cual tiene cero energía en general. "Este estado sólido de Majorana sería una partícula "nada", dice Leo Kouwenhoven de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. "Es un gran cero."

Pero espere: un electrón es una partícula elemental que uno no puede separar. Eso es cierto, pero no toma en cuenta las cosas extrañas que suceden en los superconductores. A temperaturas muy bajas, los electrones y los huecos pierden sus identidades individuales y empiezan a comportarse esencialmente como una más grande partícula cuántica que fluye en conjunto a través del material sin resistencia. "Es un poco como una ola mexicana en un estadio", dice Kouwenhoven. "Se puede describir como un montón de personas saltando arriba y sentándose por separado. O se puede describir como una onda."

El crucial truco de comportamiento-Majorana fue elaborado en el 2010. Se trata de inducir superconductividad en un material en el que los electrones tienen muy poco espacio de maniobra, tal como un alambre unidimensional (ver aquí). Entonces es como si la ola mexicana es interrumpida en sus extremos. Las cosas empiezan a desprenderse - y en estos trozos rotos se pueden encontrar pequeños trocitos de electrón y hueco, y cada trocito un Majorana. "Teóricamente, no hay duda de que Majoranas debe aparecer en estos montajes en las condiciones adecuadas", dice Franz.

Kouwenhoven y su equipo podrían ya haberlas atrapado. Cuando permitieron que la superconductividad se "fugara" desde un superconductor a un vecino, restringido a cables semiconductores en la nanoescala , las entidades aparecieron en los extremos de los nanocables con cero energía y carga cero. La aplicación de un campo eléctrico o magnético no las mueve, lo cual es exactamente el comportamiento que se espera de una partícula "nada" híbridas de materia-antimateria (ver aquí). En febrero de este año, David Goldhaber-Gordon y su equipo en la Universidad de Stanford, California, también mostraron pruebas de las partículas de Majorana en un entorno de material sutilmente diferente (ver aquí).


Se necesitan exámenes adicionales para confirmar la naturaleza de los hallazgos, pero las esperanzas son altas. "La observación de Majoranas en dispositivos de estado sólido provee pruebas de que estas partículas pueden existir en la naturaleza", dice Franz, quien no está involucrado con los equipos de experimentación. "Mi conjetura es que las tendremos en el próximo año o dos."

Estas Majoranas manufacturadas son buscadas en su propio derecho, como los bits de trabajo de los potencialmente super-poderoso ordenadores cuánticos . Pero hay un sentir de que ellas todavía no son reales : son como un gato grande enjaulado en un zoológico en vez de estar en libertad rugiéndo en la sabana.

Además de los que siguen al acecho del neutrino con la esperanza de observar un comportamiento similar a las Majorana, los cazadores de partículas del LHC parecen tener la mejor oportunidad para atrapar a la bestia. El LHC está en la búsqueda del bosón de Higgs, el cual completaría el modelo estándar, y también si hay signos de una más grande teoría. La principal candidata es la construcción conocida como supersimetría, que propone que todas las partículas del Modelo Estándar tienen una pesada, sin descubrir "supercompañera". Por cada fermión, hay un super-bosón, y por cada bosón hay un super fermión.



Tome el bosón de Higgs. Es la partícula sin carga que se cree da la masa a las otras. Pero tome dos "Higgsinos", (sus socios super-fermiones), juntos y usted debe conseguir una espectacular demostración de destrucción masiva: se aniquilarían en un montón de otras partículas. Otras partículas supersimétricas también deben actuar como Majoranas. Estas partículas son las principales candidatas para las "partículas masivas de interacción débil, o WIMPs", que podrían constituir la materia oscura, las enigmáticas tres cuartas partes de la masa del universo que no podemos ver. "Si es así, las partículas de Majorana serían las más comunes en el universo", dice Kouwenhoven. La aniquilación constante de estas Majoranas oscuras podría ser responsable de un exceso de positrones cósmicos de alta energía observados por los detectores.

Hasta ahora, el LHC no ha visto ninguna prueba de nada supersimétrico, por no hablar de particulas Majorana. Sin embargo, Wilczek, piensa que podría cambiar en los próximos años, cuando la máquina aumente su poder al máximo. "No estamos allí todavía, pero estamos cerca", dice.


La determinación de si los neutrinos son partículas de Majorana, por su parte, finalmente, podría decirnos por qué existe algo en lugar de nada. Si los neutrinos y antineutrinos son partículas distintas, números iguales de cada una de ellas se habrían producido en el big bang. En las condiciones de alta energía de los inicios del universo, cada una de ellas habría decaido en un número igual de todo tipo de otras partículas y antipartículas. Pero si los neutrinos y antineutrinos son la misma partícula, podrían decaer en partículas o antipartículas a voluntad. No hay garantía de que esas desintegraciones habrían ocurrido a las mismas tasas:las desintegraciones a partículas pueden haber superado ligeramente en número a las desintegraciones en antipartículas. "Se necesita sólo una pequeña diferencia, pero esto podría ser lo que hace que el universo sea tal como lo vemos", dice Silvia Pascoli, un físico de partículas de la Universidad de Durham, Reino Unido.


Demostrar este escenario directamente requeriría un acelerador de partículas que pudiera volver a crear la muy caliente y densa primera fracción de un segundo del cosmos - una máquina 10 millones de veces más potente que el LHC. Teniendo esto en cuenta, tal vez deberíamos estar agradecidos por cualquier visión que nos ofrezca un alambre súper enfriado en un laboratorio con los pies en la tierra. El misterio Majorana continúa, pero estamos un paso más hacia su resolución.


¿Podría los neutrinos ser híbridos de materia-antimateria? Su estado "Majorana" ha sido durante mucho tiempo sospechado. La prueba definitiva, sin embargo, sólo vendría de ver a los neutrinos aniquilandose entre sí. Pero es bastante difícil conseguir que los neutrinos interactúan con detectores, y por lo tanto medir sus propiedades. La obtención de dos neutrinos que interactúen entre si en condiciones terrenales es el problema al cuadrado.

Una solución podría ser la de observar un proceso radiactivo conocido como doble desintegración beta sin neutrinos. La convencional desintegración beta-menos implica la emisión de un antineutrino, pero unos pocos núcleos pueden llevar a cabo dos desintegraciones sucesivas, produciendo dos antineutrinos. Si el neutrino es su propia antipartícula - por lo que el antineutrino es un neutrino con un nombre diferente - entonces estos antineutrinos podrían encontrarse y aniquilarse en la emisión, dando lugar a ningún producto de neutrinos. "Es una manera muy ordinaria para investigar la cuestión de Majorana, pero es lo mejor que la gente ha diseñado ", dice Frank Wilczek, del Massachusetts Institute of Technology.


También es un incómodo trabajo de agotar la paciencia: un decaimiento sin neutrinos se espera que ocurra a un átomo susceptible solo una vez en 1025 años. En el 2001, un grupo de físicos alemanes y rusos sugirieron que habían visto unos pocos casos de este proceso, después de observar los decaimientos del germanio-76 por más de 10 años (ver aquí), pero este resultado sigue siendo discutido .

La Colaboración Majorana ahora apunta a romper el estancamiento. Con la participación de más de 100 físicos de cuatro países, su objetivo es mantener un ojo vigilante en una tonelada o más de germanio, un prototipo de 40 kilogramos, el demostrador de Majorana, se está construyendo en el Laboratorio Nacional Los Álamos en Nuevo México (ver aquí).


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

Los físicos han soñado durante mucho tiempo en codificar la información en los estados cuánticos de las partículas, por ejemplo, en la dirección de su "spin" mecánico-cuántico. La lógica difusa de la teoría cuántica implica que las partículas pueden existir en varios estados a la vez, lo que significa un mayor beneficio de cálculo para tu bit. Hay un enorme obstáculo, sin embargo: los estados cuánticos son extraordinariamente delicados, derribandose a la menor alteración de su medio ambiente.

No así los bits de Majorana. Una consecuencia de la forma en que se presentan en los superconductores es que siempre vienen en pares que, aunque separados espacialmente, codifican la misma información. Esto ofrece incorporar robustez gracias a la redundancia: si uno de los dos pierde su información, el otro todavía la tiene.

No serviría de mucho si, tan pronto como los dos bits se encuentren, se aniquilan el uno al otro. Pero la belleza de las partículas de Majorana es que no tienen que interactuar para que usted pueda usarlas para la informática. Puede cambiar el estado cuántico de un par de Majorana con sólo moverlas alrededor la una de la otra. Al guiar a estos movimientos sinuosos de una manera pre-determinada, efectivamente se pueden ejecutar toda una serie de pasos de computación: un algoritmo.

Si los avistamientos recientes se confirman, dará empuje a los intentos de aprovechar este tipo de cálculos numéricos "topológicos". "Hace cinco años era pura fantasía", dice el teórico de la Frank Wilczek, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. "Las ideas teóricas han estado muy por delante, pero ahora los experimentos las están capturándo- y eso es muy emocionante".

Fuentes: https://www.newscientist.com/article/mg21428641-500-truth-of-the-matter-the-majorana-particle-mystery/

http://astroboy-espaciocosmico.blogspot.com/2012/05/el-misterio-de-la-particula-de-majorana.html