Logran por primera vez observar positrones comportándose como una auténtica onda cuántica

La física cuántica avanza a menudo a partir de observaciones muy concretas, casi silenciosas, que obligan a reconsiderar lo que se creía bien establecido. En este caso, el foco está en una partícula exótica y efímera: el positronio, un sistema formado por un electrón y su antipartícula, el positrón. Aunque su existencia es conocida desde hace décadas, nunca antes se había observado de forma directa que este sistema compuesto se comportara como una única onda cuántica coherente en el espacio libre.

Un trabajo publicado en Nature Communications presenta ahora una evidencia experimental clara de este comportamiento. El equipo ha logrado observar difracción del positronio al hacerlo atravesar una lámina de grafeno, un resultado que confirma que este sistema no actúa como dos partículas independientes, sino como un objeto cuántico único. El experimento resuelve una cuestión fundamental largamente abierta y abre nuevas posibilidades para usar positronio en experimentos de física básica de alta precisión.

Qué es el positronio y por qué resulta tan especial

El positronio es un sistema ligado formado por un electrón y un positrón que orbitan alrededor de su centro de masas común. A diferencia de los átomos ordinarios, no contiene núcleos ni quarks: está compuesto únicamente por leptones, lo que lo convierte en un laboratorio ideal para poner a prueba la electrodinámica cuántica. Además, mientras existe —su estado triplete vive unos 142 nanosegundos— se comporta como un átomo eléctricamente neutro.

Esta neutralidad es clave. Al no verse afectado por campos eléctricos externos, el positronio puede interactuar con superficies y materiales de un modo distinto al de electrones o positrones aislados. Durante años se han estudiado fenómenos como su formación en sólidos o su comportamiento en cristales, donde incluso se han observado estados de Bloch en determinados materiales. Sin embargo, todos esos resultados estaban ligados a entornos sólidos.

Lo que faltaba era una demostración directa de su naturaleza ondulatoria en el espacio libre. La difracción de partículas es una de las pruebas más claras de la dualidad onda-partícula. Electrones, neutrones, átomos e incluso moléculas complejas han mostrado patrones de difracción. El positronio, pese a su interés teórico, se había resistido hasta ahora por su corta vida y por la dificultad de producir haces suficientemente coherentes.

Difracción cuántica y la pregunta clave del experimento

Observar difracción en positronio no es solo un reto técnico, sino también conceptual. La cuestión central es si el sistema interfiere como un todo o si, por el contrario, el electrón y el positrón que lo componen se comportan como ondas independientes. La diferencia no es sutil: se manifiesta directamente en la posición esperada de los máximos de difracción.

Según la relación de de Broglie, la longitud de onda de una partícula depende de su momento. En el caso del positronio, el momento total es la suma del momento del electrón y del positrón. Esto implica que su longitud de onda es la mitad de la que tendría cada partícula por separado a la misma velocidad. Si ambos difractaran de forma independiente, el patrón observado tendría una dispersión angular mayor.

El propio artículo lo expresa con claridad al señalar que el experimento permite comprobar si el positronio “se comporta como una única entidad cuántica en lugar de dos partículas que interfieren de manera independiente”. Esta distinción es esencial para confirmar que el positronio es, efectivamente, un sistema ligado coherente desde el punto de vista cuántico.

Un haz de positronio diseñado para un experimento extremo

El éxito del experimento descansa en la creación de un haz de positronio de alta calidad, algo que no estaba disponible en estudios anteriores. En lugar de producir positronio mediante la neutralización de positrones lentos en gases, los autores emplearon un método basado en la fotodesprendimiento de iones Ps⁻ previamente acelerados.

Este procedimiento permite obtener haces con energías ajustables de hasta varios kiloelectronvoltios, una dispersión energética muy reducida y una divergencia angular inferior a 0,3 grados. Además, todo el proceso se realiza en ultra alto vacío, lo que resulta esencial para mantener limpia la superficie de grafeno utilizada como rejilla de difracción.

El artículo subraya que estas características “fueron esenciales para permitir la observación de la difracción del positronio”. No se trata solo de producir positronio, sino de hacerlo con la coherencia espacial necesaria para que emerja un patrón de interferencia detectable tras atravesar un material cristalino.

Grafeno como rejilla cuántica para antimateria

El material elegido para provocar la difracción fue grafeno de dos a tres capas, con una constante de red bien conocida y adecuada para las longitudes de onda del positronio en el rango de energías utilizado. El grafeno actúa aquí como una rejilla de difracción bidimensional, similar a las empleadas históricamente en experimentos con electrones.

Cuando el haz de positronio atraviesa la lámina, una fracción de los átomos se transmite sin desviarse, mientras que otra parte se dispersa en ángulos bien definidos. Estos átomos difractados son detectados mediante un detector sensible a la posición, lo que permite reconstruir la distribución radial de impactos.

Para asegurar que la señal observada corresponde realmente a positronio y no a electrones, positrones o radiación gamma, el experimento utiliza una selección por tiempo de vuelo extremadamente precisa. Esta discriminación es crucial para aislar el patrón de difracción auténtico frente a un fondo inevitablemente complejo.

La señal clave: un pico que lo cambia todo

El resultado central del estudio es la observación de un pico de difracción de primer orden en la posición esperada para un positronio que se comporta como una única onda cuántica. A una energía de 3,3 keV, el máximo aparece alrededor de 8 milímetros del centro del haz, en perfecto acuerdo con el cálculo teórico.

El artículo es explícito al afirmar que “la presencia de un pico prominente a 8,1 mm sirve como evidencia directa de que el positronio se comporta como una única entidad cuántica, produciendo interferencia como una partícula compuesta”. De manera igualmente significativa, no se observa ningún pico en la posición donde aparecería si el electrón y el positrón difractaran por separado.

El mismo comportamiento se reproduce al reducir la energía del haz a 2,3 keV. En este caso, el pico se desplaza hacia radios mayores, exactamente como predice la teoría a partir del aumento de la longitud de onda de de Broglie. La consistencia entre ambos conjuntos de datos refuerza la robustez del resultado.

Por qué la señal es débil y por qué eso importa

Uno de los aspectos más llamativos del experimento es que la eficiencia de difracción del positronio es aproximadamente un orden de magnitud menor que la de los electrones en condiciones comparables. Lejos de ser un problema, este resultado encaja con las predicciones teóricas.

En el caso del positronio, las contribuciones dominantes al esparcimiento elástico se cancelan en primer orden debido a que el electrón y el positrón tienen masas iguales y cargas opuestas. Como consecuencia, los procesos coherentes que dan lugar a la difracción son intrínsecamente más débiles, mientras que los canales inelásticos aparecen con mayor facilidad.

Esta característica explica por qué la observación ha requerido tiempos de adquisición extremadamente largos, de cientos de horas, y un control experimental muy riguroso. También marca el camino para futuras mejoras, que deberán centrarse en incrementar la intensidad del haz y reducir aún más su divergencia.

Más allá de la demostración: nuevas posibilidades experimentales

Confirmar la naturaleza ondulatoria del positronio no es un punto final, sino un punto de partida. La interferometría con positronio ha sido propuesta desde hace años como una vía para realizar mediciones gravitatorias con antimateria, un terreno prácticamente inexplorado. Hasta ahora, ni siquiera se ha medido directamente el efecto de la gravedad sobre un electrón.

A largo plazo, la coherencia demostrada es también un requisito indispensable para aspirar a la condensación de Bose-Einstein de positronio, un estado de la materia con implicaciones profundas tanto teóricas como experimentales. La observación directa de su difracción acerca por primera vez este objetivo al terreno de lo posible.