Físicos atrapan una partícula de antimateria durante meses para poner a prueba las leyes del universo
Una sola antipartícula, suspendida en el vacío y enfriada hasta casi el cero absoluto, podría poner en jaque uno de los pilares de la física moderna. El experimento abre la puerta a una comparación sin precedentes entre materia y antimateria y a la búsqueda de posibles grietas en el modelo estándar.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Recreación artística de un positrón, una partícula de antimateria, suspendido mediante campos electromagnéticos en una trampa de Penning. Los científicos han logrado mantenerlo aislado durante meses para estudiar sus propiedades cuánticas. Crédito: IA-DALL-E / RexMolón Producciones
Una partícula de antimateria lleva meses atrapada en un espacio diminuto, suspendida en el vacío y sin tocar las paredes de su prisión. Si lo hiciera y se topara con un electrón, podría desaparecer al instante en una aniquilación de materia y antimateria.
Sus guardianes han conseguido enfriarla hasta una temperatura próxima al cero absoluto (-273,15 ºC) y controlar sus estados cuánticos con una precisión extraordinaria.
El cautivo es un positrón, la antipartícula del electrón, y su confinamiento representa un avance en la investigación de las leyes fundamentales de la naturaleza.
Un equipo de físicos de la Universidad Northwestern, en Estados Unidos, ha conseguido por primera vez crear y controlar lo que denomina un ciclotrón cuántico de un solo positrón: un sistema experimental en el que una única partícula de antimateria permanece atrapada mediante campos eléctricos y magnéticos, mientras los científicos observan y manipulan sus niveles cuánticos de energía.
Los pormenores del experimento aparecen detallados en la revista Physical Review Letters, y el trabajo ha sido dirigido por el físico Gerald Gabrielse y tiene como primer autor al investigador Thomas G. Myers.
Su importancia va mucho más allá de mantener una antipartícula encerrada durante meses. El objetivo es comprobar si el electrón y el positrón poseen propiedades magnéticas exactamente equivalentes, como predicen las teorías actuales. Si los experimentos encontraran una diferencia real, podrían revelar física desconocida y cuestionar principios fundamentales del modelo estándar.
Qué es el modelo estándar
Recordemos que el modelo estándar es la teoría fundamental que describe las partículas elementales conocidas —como electrones, cuarks y neutrinos— y tres de las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Es uno de los mayores éxitos de la física moderna, porque ha superado durante décadas pruebas experimentales de enorme precisión.
Sin embargo, se sabe que está incompleto: no explica, por ejemplo, la gravedad, la materia oscura ni por qué el universo contiene mucha más materia que antimateria.
La prueba definitiva del nuevoi avance todavía no se ha llevado a cabo. Lo que los investigadores han demostrado es que disponen de una herramienta capaz de hacerla posible.
Por qué atrapar un solo positrón puede cambiar nuestra comprensión del universo
La antimateria es uno de los grandes enigmas de la física moderna. Sabemos que existe, podemos producirla en laboratorios y conocemos muchas de sus propiedades. Sin embargo, todavía desconocemos por qué el universo observable está formado casi exclusivamente por materia ordinaria, también conocida como bariónica.
Según nuestra comprensión de los procesos físicos que tuvieron lugar después del big bang, materia y antimateria deberían haberse producido en cantidades muy similares. Si ambas hubieran entrado en contacto y se hubieran aniquilado por completo, no habría quedado la materia necesaria para formar las galaxias, las estrellas, los planetas y la vida misma.
Pero nuestro cosmos existe y contiene muchísima más materia que antimateria.
🗣️ «El gran misterio del universo es que el bigbang debería haber creado cantidades iguales de materia y antimateria —explica Gabrielse en un comunicado de la Universidad Northwestern al que ha tenido acceso RexMolón. Y añade—: Pero, si eso fuera cierto, se aniquilarían y no quedaría nada. Está claro que hay algo que no encaja en esa teoría, y eso es lo que intentamos averiguar».
La explicación podría encontrarse en fenómenos que todavía no comprendemos del todo. Aunque se conocen procesos físicos capaces de producir pequeñas diferencias entre materia y antimateria, los mecanismos establecidos no explican por sí solos la magnitud del desequilibrio cósmico.
Los investigadores buscan, por tanto, nuevas pistas sobre el comportamiento de las partículas elementales.
Y una de las maneras más prometedoras de encontrarlas consiste en comparar las propiedades de una partícula y su antipartícula con una precisión extrema.
El equipo del Centro de Física Fundamental de la Universidad Northwestern, junto a la trampa de antimateria utilizada en el experimento. Al fondo, a la derecha, el profesor Gerald Gabrielse, director de la investigación. Cortesía: Universidad Northwestern
Qué es un positrón y en qué se diferencia de un electrón
Como ya se ha señalado, el positrón es la antipartícula del electrón. Ambos tienen la misma masa y el mismo valor absoluto de carga eléctrica, pero con signos opuestos: el electrón posee carga negativa y el positrón, positiva.
Estas partículas también comparten otras propiedades fundamentales, aunque algunas de ellas, como su momento magnético —una propiedad física que determina cómo se comporta una partícula, como un electrón o un positrón, ante un campo magnético—, presentan signos opuestos debido a la inversión de la carga.
Cuando un electrón y un positrón se encuentran, pueden aniquilarse mutuamente. Su energía se transforma en otras partículas, generalmente fotones de radiación gamma.
Este fenómeno no significa que la antimateria sea una sustancia misteriosa o necesariamente peligrosa. De hecho, los positrones tienen aplicaciones prácticas en medicina, especialmente en la tomografía por emisión de positrones (PET), una técnica de diagnóstico por imagen.
La dificultad aparece cuando se intenta conservar una antipartícula durante mucho tiempo sin que entre en contacto con la materia ordinaria.
🗣️ «La antimateria debe gran parte de su atractivo popular a la ciencia ficción —señala Gabrielse—. Si tomamos un electrón y un antielectrón —o positrón— y los hacemos chocar, ambos desaparecen. Describimos este fenómeno como aniquilación, un concepto que alimenta la imaginación de los escritores de ciencia ficción».
El nuevo experimento demuestra que es posible evitar ese desenlace y mantener una única antipartícula aislada durante meses, en condiciones adecuadas para estudiar sus propiedades cuánticas.
Cómo consiguieron atrapar una partícula de antimateria sin que desapareciera
El primer desafío de los físicos de la Northwestern era encontrar una manera de confinar el positrón sin permitirle tocar un recipiente convencional.
La solución fue utilizar una trampa de Penning, un dispositivo que combina campos eléctricos y magnéticos para mantener suspendidas partículas con carga eléctrica.
En lugar de emplear paredes materiales, la trampa utiliza fuerzas electromagnéticas para impedir que la partícula escape de una pequeña región del espacio.
Un campo magnético de 5,6 teslas obliga al positrón a describir un movimiento circular, mientras que los campos eléctricos mantienen controlado su desplazamiento en la dirección del eje de la trampa.
El positrón no permanece inmóvil del todo, pues sigue realizando movimientos característicos, pero queda confinado y separado de los electrodos.
El dispositivo funciona, por tanto, como una cárcel sin paredes materiales para una partícula de antimateria.
Una temperatura de casi 273 grados bajo cero
La segunda dificultad era evitar que el positrón chocara con los átomos de gas presentes en el interior del aparato.
Los investigadores resolvieron el problema combinando un vacío extraordinariamente elevado con temperaturas criogénicas.
La trampa se mantiene a unos 300 milikelvin, equivalentes a −272,85 grados Celsius, apenas 0,3 grados por encima del cero absoluto.
A esta temperatura, la radiación térmica capaz de excitar de forma espontánea el movimiento del positrón se reduce de manera drástica. Además, las superficies frías contribuyen a retirar moléculas de gas del entorno.
Estas condiciones hacen posible conservar la partícula durante periodos excepcionalmente largos.
«Si queremos estudiar antimateria, debemos manejarla con cuidado», explica Gabrielse. Pero también aclara que el experimento no representa el peligro que a veces sugiere la ciencia ficción: «No es peligrosa. No tenemos suficiente antimateria como para provocar una explosión».
Según los autores del trabajo, un único positrón ha permanecido atrapado durante meses. El estudio no establece que todas las partículas capturadas permanezcan necesariamente ese tiempo, sino que el sistema ha demostrado ser capaz de sostener un confinamiento prolongado.
Esquema del dispositivo utilizado para atrapar el positrón, con el refrigerador de dilución, el recipiente criogénico, el solenoide superconductor y la trampa de Penning, donde la antipartícula permanece suspendida mediante campos electromagnéticos. Cortesía: Gerald Gabrielse et al.
De una desintegración radiactiva a una antipartícula casi inmóvil
Atrapar el positrón era solo una parte del problema. Primero había que producirlo y reducir enormemente su energía.
Los científicos utilizaron una fuente de sodio-22, un isótopo radiactivo cuyos núcleos pueden emitir positrones durante su desintegración.
Estas antipartículas nacen con energías elevadas. En el experimento pueden alcanzar hasta 546.000 electronvoltios, una cantidad enorme en comparación con la energía que tendrán cuando estén enfriadas dentro de la trampa.
Para frenarlas, el equipo recurrió a un moderador de tungsteno, un material en el que los positrones pierden gran parte de su energía mediante interacciones con la materia.
Después sucede algo especialmente ingenioso.
Algunos positrones lentos pueden asociarse de manera temporal con electrones y formar un positronio, un sistema exótico compuesto por una partícula de materia y otra de antimateria.
En presencia del potente campo magnético del experimento, este conjunto puede adquirir una configuración débilmente ligada, denominada positronio de Rydberg altamente magnetizado.
Como tiene carga eléctrica neta nula, puede atravesar una pequeña abertura y acceder al interior de la trampa.
Una vez allí, el campo eléctrico separa ambas partículas: el electrón se pierde y el positrón queda capturado.
El procedimiento permite introducir antimateria en una región prácticamente cerrada sin comprometer las condiciones del vacío ni el funcionamiento de la cavidad utilizada para las mediciones.
No obstante, la operación requiere paciencia. Capturar un positrón puede llevar entre ocho y once horas con el sistema empleado por los investigadores.
La ventaja es que, después de conseguirlo, no necesitan reemplazar constantemente la partícula.
«Lo enfriamos tanto que alcanza su estado cuántico fundamental —dice Gabrielse. Y añade—: En realidad, conseguimos que este positrón, inicialmente muy rápido, permaneciera allí y se comportara como queríamos durante meses».
El verdadero avance: controlar los estados cuánticos de una sola antipartícula
Conservar antimateria no es suficiente para investigar sus propiedades fundamentales. Hay que conseguir que la partícula responda a estímulos controlados y que sus cambios puedan medirse.
Aquí reside la aportación más importante del estudio.
Los investigadores han demostrado que pueden modificar y detectar los estados cuánticos de energía de un único positrón, observando tanto su movimiento ciclotrónico como los cambios de orientación de su espín.
El espín es una propiedad cuántica intrínseca de las partículas, que está relacionada con su momento angular y su comportamiento magnético. Aunque a veces se representa como un giro sobre sí mismas, no debe confundirse con la rotación de un objeto cotidiano.
En una trampa magnética, el movimiento circular del positrón solo puede adoptar determinados valores de energía. Esos valores reciben el nombre de niveles cuánticos.
El equipo ha conseguido reconocer cuándo la partícula pasa de un nivel a otro.
El depósito situado en el centro del laboratorio, instalado por debajo del nivel del suelo, alberga la trampa electromagnética en la que los científicos mantienen confinado un único positrón desde hace meses. Cortesía: Universidad Northwestern
Qué es un ciclotrón cuántico de un solo positrón
Un ciclotrón cuántico de un solo positrón es un sistema en el que una única antipartícula cargada permanece confinada en un campo magnético y presenta niveles discretos de energía asociados a su movimiento circular.
En el experimento, los científicos utilizan microondas próximas a los 156 gigahercios para suministrar cantidades controladas de energía a la partícula.
Cuando la frecuencia y la energía son adecuadas, el positrón puede pasar desde su estado fundamental a otro más energético. Posteriormente, regresa a un nivel inferior emitiendo radiación.
Este comportamiento recuerda, en determinados aspectos, al de los electrones dentro de un átomo, cuyos niveles energéticos también están cuantizados.
Por eso los investigadores describen su dispositivo como un sistema que se comporta de manera semejante a un átomo artificial, aunque no sea un átomo propiamente dicho.
El aspecto decisivo es que pueden provocar y observar esos saltos cuánticos de manera individual.
Cómo observar una partícula sin alterar su estado cuántico
Medir sistemas cuánticos constituye un problema delicado: el procedimiento de observación puede perturbar precisamente aquello que se intenta estudiar.
Para evitarlo, los físicos han desarrollado una técnica denominada medición cuántica de no demolición. Su funcionamiento se basa en detectar pequeñas variaciones en la frecuencia de oscilación del positrón dentro de la trampa. Los cambios en sus estados ciclotrónicos y de espín producen desplazamientos de aproximadamente 3,8 hercios.
La señal es diminuta, pero lo suficientemente definida como para identificar los saltos de energía de una sola antipartícula sin modificar directamente el estado que se está midiendo.
Los investigadores también han conseguido prolongar la duración de los estados ciclotrónicos excitados.
En condiciones ordinarias, uno de esos estados duraría unos 83 milisegundos antes de emitir radiación y decaer. Gracias a la cavidad electromagnética del dispositivo, ese tiempo puede aumentar hasta aproximadamente cuatro segundos.
Puede parecer poco, pero supone una diferencia decisiva para realizar mediciones de precisión.
Los gráficos publicados en el artículo científico muestran saltos discretos de energía y cambios de espín. Estas observaciones confirman que el equipo puede identificar y manipular estados cuánticos individuales del positrón.
La novedad no es simplemente que la antimateria permanezca atrapada: es que puede estudiarse con herramientas cuánticas de una precisión extraordinaria.
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La prueba del modelo estándar: ¿son realmente idénticos el electrón y el positrón?
El siguiente objetivo del equipo es utilizar el dispositivo para comparar una propiedad fundamental de ambas partículas: su momento magnético. Recordemos que este determina cómo interactúa una partícula con un campo magnético externo. En términos sencillos, describe una propiedad que hace que el electrón y el positrón se comporten como diminutos imanes cuánticos.
Según las teorías actuales, sus momentos magnéticos deben tener exactamente la misma magnitud, aunque con los signos correspondientes a sus cargas opuestas.
Una diferencia reproducible, después de descartar errores experimentales, podría señalar la existencia de fenómenos que no encajan en nuestra comprensión de las leyes físicas.
El experimento pretende examinar específicamente la simetría CPT, uno de los principios fundamentales de la teoría cuántica de campos.
Qué es la simetría CPT y por qué es tan importante
La simetría CPT establece que las leyes de la física deben conservarse cuando se aplican conjuntamente tres transformaciones:
✅ Intercambiar partículas por antipartículas (C)
✅ Invertir las coordenadas espaciales como en un espejo (P).
✅ Invertir el sentido temporal de los procesos (T).
De acuerdo con el teorema CPT, esta simetría debe cumplirse en las teorías cuánticas de campos que satisfacen determinados requisitos fundamentales. Entre sus consecuencias se encuentra que una partícula y su antipartícula deben tener la misma masa y propiedades magnéticas relacionadas de una forma muy concreta.
Comprobar experimentalmente la simetría CPT equivale a poner a prueba uno de los fundamentos más profundos de nuestra descripción del mundo subatómico.
Si se descubriera una violación auténtica de esta simetría, las consecuencias serían extraordinarias. No se trataría simplemente de corregir algún parámetro del modelo estándar, sino de revisar supuestos fundamentales utilizados en las teorías físicas actuales.
Sin embargo, detectar una violación de CPT no explicaría de forma automática el predominio de materia sobre antimateria en el universo. Ambos problemas están relacionados con la búsqueda de nueva física, pero no son equivalentes.
Una precisión más de 30 veces superior a la alcanzada hasta ahora
Gabrielse lleva décadas desarrollando instrumentos para investigar las propiedades fundamentales de partículas individuales.
Su equipo consiguió anteriormente determinar el momento magnético del electrón con una precisión cercana a una parte en diez billones, una de las mediciones más exactas realizadas sobre una partícula elemental.
El nuevo ciclotrón cuántico permitiría aplicar métodos semejantes al positrón.
Según los autores, una futura medición con la precisión ya conseguida para el electrón permitiría comprobar la simetría CPT en el sector de los leptones con una exactitud más de treinta veces superior a la de las comparaciones anteriores.
Los leptones son una familia de partículas elementales que incluye electrones, muones, partículas tau y neutrinos.
La posibilidad de alcanzar esa precisión constituye una de las principales conclusiones del estudio.
Pero conviene subrayar una diferencia: los científicos todavía no han obtenido la nueva medida ultraprécisa del momento magnético del positrón. Han desarrollado y demostrado las capacidades experimentales necesarias para intentar conseguirla.
La siguiente etapa consistirá en perfeccionar el sistema y estudiar cuidadosamente sus posibles fuentes de incertidumbre.
«Las teorías actuales sugieren que no habrá ninguna diferencia entre ambas mediciones», señala Gabrielse. Y añade una afirmación que refleja la magnitud del desafío: «Si resultara que no son iguales, sería el mayor descubrimiento de la física del último siglo».
Qué ocurriría si el electrón y el positrón no fueran exactamente equivalentes
Existen dos posibles desenlaces científicos, y ambos serían importantes.
1️⃣ Si la comparación confirma que el electrón y el positrón presentan las propiedades previstas, el experimento reforzará la simetría CPT y establecerá límites más estrictos a las teorías que predicen pequeñas desviaciones.
2️⃣ Si, por el contrario, aparece una diferencia real, reproducible y estadísticamente convincente, los físicos tendrán que investigar su origen.
Una desviación podría apuntar hacia nuevas interacciones, partículas todavía desconocidas o modificaciones profundas de los principios que sustentan las teorías actuales.
No obstante, una discrepancia inicial tendría que superar numerosas comprobaciones antes de considerarse una señal de nueva física. En experimentos de semejante precisión, perturbaciones magnéticas, efectos instrumentales o errores sistemáticos pueden producir diferencias aparentes.
Por ahora, el resultado de la Northwestern no demuestra ninguna ruptura del modelo estándar.
Lo que demuestra es algo distinto, pero imprescindible: que una única partícula de antimateria puede conservarse durante meses y manipularse cuánticamente en condiciones adecuadas para futuras mediciones de precisión extrema.
El detector espacial de antimateria AMS-02, durante unas pruebas electromagnéticas realizadas por la ESA en 2010. Instalado posteriormente en la Estación Espacial Internacional, busca partículas de antimateria en los rayos cósmicos, una investigación complementaria a los experimentos de laboratorio que intentan desentrañar por qué la materia domina el universo. Cortesía: ESA/Anneke Le Floc'h.
Una sola partícula para investigar los límites de la física
Durante buena parte del último siglo, algunos de los descubrimientos más importantes sobre la materia se han obtenido mediante grandes aceleradores de partículas. Estas instalaciones provocan colisiones a energías extraordinarias para revelar la estructura íntima del mundo subatómico.
El experimento de la Northwestern representa una estrategia complementaria.
En lugar de buscar nuevas partículas mediante colisiones cada vez más energéticas, los investigadores intentan descubrir posibles desviaciones de las leyes conocidas observando con una precisión excepcional las propiedades de sistemas individuales.
No necesitan grandes cantidades de antimateria. De hecho, toda la investigación gira alrededor de una única antipartícula confinada en el vacío.
Su comportamiento podría proporcionar una prueba mucho más exigente de la equivalencia fundamental entre materia y antimateria.
En una trampa enfriada hasta casi el cero absoluto, un positrón permanece aislado de un mundo con el que no puede entrar en contacto. Los científicos han conseguido dominar sus movimientos cuánticos y mantenerlo bajo observación durante meses.
Ahora quieren utilizarlo para formular una de las preguntas más profundas de la física: si las partículas y sus antipartículas obedecen exactamente las mismas leyes, ¿dónde debemos buscar la explicación de un universo en el que la materia parece haber ganado la partida?
La respuesta todavía está lejos. Pero una sola partícula de antimateria podría ayudar a encontrar las primeras pistas de aquello que le falta a nuestra comprensión del cosmos.▪️
🔬 Antimateria: seis preguntas para entender un experimento extraordinario
¿Cómo se puede atrapar una partícula que desaparece al encontrarse con la materia? ¿Qué esperan descubrir los científicos? Estas son las claves de un experimento que podría poner a prueba algunas de las leyes fundamentales del universo.
¿Cuánto tiempo consiguieron mantener atrapado el positrón?
Los investigadores de la Universidad Northwestern demostraron que un único positrón podía permanecer confinado durante meses en una trampa electromagnética, sin entrar en contacto con la materia ordinaria.
¿A qué temperatura enfriaron la partícula de antimateria?
El dispositivo experimental se mantiene a unos 300 milikelvin, equivalentes a −272,85 °C, apenas 0,3 grados por encima del cero absoluto. Estas condiciones permiten reducir las perturbaciones térmicas y estudiar los estados cuánticos del positrón.
¿Por qué no desaparece el positrón atrapado?
Porque permanece suspendido mediante campos eléctricos y magnéticos dentro de un vacío extremadamente elevado. Al evitar el contacto con electrones de la materia ordinaria, se reduce enormemente la posibilidad de aniquilación.
¿Qué han descubierto exactamente los científicos?
Han creado por primera vez un ciclotrón cuántico de un solo positrón y demostrado que pueden controlar y detectar sus estados individuales de energía y espín. Todavía no han realizado la comparación definitiva de su momento magnético con el del electrón mediante esta técnica.
¿Puede este experimento demostrar que el Modelo Estándar es incorrecto?
El resultado actual no demuestra ningún fallo del Modelo Estándar. Sin embargo, la tecnología desarrollada podría permitir una futura prueba extremadamente precisa de la simetría CPT. Una diferencia confirmada entre las propiedades fundamentales del electrón y el positrón tendría profundas implicaciones para la física.
¿Ayudará a explicar por qué existe más materia que antimateria?
El experimento podría proporcionar pistas sobre posibles fenómenos físicos desconocidos. No obstante, comprobar la simetría CPT y explicar la asimetría cósmica entre materia y antimateria son problemas diferentes, y el estudio no demuestra una solución directa a este misterio.
Información facilitada por la Northwestern University
Fuente: Gerald Gabrielse et al. One-Positron Quantum Cyclotron. arXiv (2026). DOI:
https://doi.org/10.48550/arXiv.2605.08147
