La redondez de los electrones puede darnos pistas.
Un querido colega nos comparte el presente artículo escrito por Rebecca Jacobson, publicado el 6 de julio de 2023 en el boletín de noticias del National Institute of Standards and Technology (NIST, por sus siglas en inglés) y traducido por nosotros para este espacio. Veamos qué nos dicen al respecto…
En los primeros momentos de nuestro universo, se formaron innumerables cantidades de protones, neutrones y electrones junto con sus contrapartes de antimateria. A medida que el universo se expandió y se enfrió, casi todas estas partículas de materia y antimateria se encontraron y se aniquilaron entre sí, dejando solo fotones, o destellos de luz, a su paso.
Y si el universo fuera perfectamente simétrico, con cantidades iguales de materia y antimateria, ese sería el final de la historia, y nunca habríamos existido. Pero debe haber habido un desequilibrio (algunos protones, neutrones y electrones sobrantes) que formaron átomos, moléculas, estrellas, planetas, galaxias y, finalmente, personas.
"Si el universo hubiera sido perfectamente simétrico, entonces no quedaría nada más que luz. Este es un momento muy importante en la historia. Pero extrañamente encontramos que ¡hay cosas en el universo!, y la pregunta es, ¿por qué?". dijo Eric Cornell, becario de NIST/ Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA por sus siglas en inglés). "¿Por qué tenemos esta asimetría?"
Las teorías y ecuaciones matemáticas que explican nuestro universo exigen simetría. Los teóricos de partículas han refinado estas teorías para abordar la presencia de asimetría. Pero sin evidencia, esas teorías son solo matemáticas, explica Cornell, por lo que los físicos experimentales, incluido su grupo en JILA, han estado observando partículas fundamentales como los electrones en busca de signos de asimetría.
Ahora, el grupo JILA ha realizado una medición de electrones sin precedentes, reduciendo la búsqueda a esta partícula para tratar de encontrar aquí de dónde proviene esta asimetría. Sus hallazgos han sido publicados en Science.
Un lugar para buscar evidencia de asimetría es el momento dipolar eléctrico del electrón (eEDM por sus siglas en inglés). Los electrones están formados por una carga eléctrica negativa, y el eEDM indica qué tan uniformemente se distribuye esa carga entre los polos norte y sur del electrón. Cualquier medida de eEDM por encima de cero confirmaría una asimetría; el electrón tendría más forma de huevo que circular. Pero nadie sabe cuán pequeña puede ser esa desviación.
“Necesitamos arreglar nuestras matemáticas para estar más cerca de la realidad”, dijo Tanya Roussy, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Cornell en JILA. "Estamos buscando lugares donde podría estar esa asimetría, para que podamos entender de dónde proviene. Los electrones son partículas fundamentales, y su simetría nos dice acerca de la simetría del universo".
¿Qué tan preciso es eso? Si un electrón fuera del tamaño de la Tierra, su estudio encontró que cualquier asimetría que exista sería más pequeña que el radio de un átomo, explicó Roussy.
Hacer una medición tan precisa es increíblemente difícil, agrega, por lo que el grupo necesitaba ser inteligente. Los investigadores observaron moléculas de fluoruro de hafnio. Si aplicaran un fuerte campo eléctrico a las moléculas, los electrones no redondos querrían alinearse con el campo, moviéndose dentro de la molécula. Si fueran redondos, los electrones no se moverían.
Usando un láser ultravioleta, quitaron electrones de las moléculas, creando un conjunto de iones cargados positivamente, y los atraparon. Al alternar el campo electromagnético alrededor de la trampa, las moléculas se vieron obligadas a alinearse o no alinearse con el campo. Luego, los investigadores usaron láseres para medir los niveles de energía de los dos grupos. Si los niveles fueran diferentes entre ellos, eso indicaría que los electrones eran asimétricos.
Su experimento les permitió tener tiempos de medición más largos que los intentos anteriores, lo que les dio una mayor sensibilidad. Sin embargo, las mediciones del grupo mostraron que los electrones no movieron los niveles de energía, lo que indica que, hasta donde podemos medir actualmente, los electrones son redondos.
No hay garantía de que alguien encuentre una medida distinta de cero de eEDM, señala Cornell, pero este nivel de precisión de un experimento es un logro. Muestra que los costosos aceleradores de partículas no son el único medio para explorar estas preguntas fundamentales sobre el universo, y que hay muchas vías para probar. Y aunque el grupo no encontró asimetría, su resultado ayudará al campo a seguir buscando respuestas a la asimetría del universo primitivo.
"De acuerdo a nuestras mediciones encontramos que el electrón es simétrico. Si hubiéramos encontrado distinto de cero, sería un gran problema", agregó Roussy. "La mejor apuesta es tener equipos de científicos de todo el mundo que busquen diferentes opciones. Mientras todos sigamos midiendo la verdad, eventualmente alguien la encontrará".
