En 1928, Paul Dirac predijo teóricamente la existencia de la antimateria. Años más tarde, el positrón —el electrón de antimateria— fue descubierto, y desde entonces, la idea de que cada partícula tiene su opuesta ha fascinado a generaciones de científicos. Pero más allá de las novelas de ciencia ficción o los aceleradores de partículas que recrean el Big Bang en miniatura, lo que realmente ha mantenido despierta a la física durante décadas es una pregunta esencial: si materia y antimateria se crearon en cantidades iguales durante el origen del universo, ¿por qué todo lo que vemos está hecho de materia?
Ahora, un experimento del CERN ha dado un paso gigantesco para acercarse a esa respuesta. Por primera vez, un equipo internacional ha conseguido manipular el espín de un antiprotón —la versión de antimateria del protón— como si fuera un cúbit, la unidad básica de información cuántica. El avance no solo representa un hito tecnológico sin precedentes, sino que también promete aportar datos cruciales para comprender las asimetrías fundamentales entre la materia y la antimateria que determinaron la existencia del universo tal y como lo conocemos.
La hazaña cuántica con una sola antipartícula
Lo más llamativo de este experimento es que se ha realizado con una sola antipartícula, aislada, controlada y mantenida estable durante un tiempo récord de 50 segundos. Ese dato es especialmente relevante porque los estados cuánticos, como el del espín de una partícula, son extremadamente sensibles al entorno. Cualquier interferencia —ya sea ruido térmico, fluctuaciones magnéticas o vibraciones— puede colapsar ese estado superpuesto que define la lógica de la mecánica cuántica.
Para lograrlo, el equipo de la colaboración BASE del CERN utilizó un sistema de trampas de Penning criogénicas de altísima precisión, capaces de mantener al antiprotón prácticamente inmóvil en un vacío ultracontrolado. Allí, en el corazón del dispositivo, se aplicaron pulsos de radiofrecuencia con el fin de inducir oscilaciones coherentes de espín, un fenómeno conocido como oscilaciones de Rabi. Según se describe literalmente en el artículo científico publicado en Nature, los investigadores “observaron, por primera vez, oscilaciones de Rabi del espín de un antiprotón almacenado en un sistema de trampa de Penning criogénica”.
Esto convierte al antiprotón en el primer cúbit de antimateria funcional, al menos en el contexto experimental.
Por qué importa medir el espín de un antiprotón
En la física de partículas, el espín es una propiedad fundamental que está relacionada con el momento magnético. Es decir, el espín convierte a las partículas subatómicas en pequeños imanes, sensibles a campos magnéticos externos. Si se logra medir con gran precisión cómo se comporta el espín de una partícula y se lo compara con su contraparte de antimateria, es posible identificar pequeñas diferencias que podrían explicar la asimetría del universo.
El problema es que, hasta ahora, las comparaciones entre protones y antiprotones no mostraban ninguna diferencia significativa. Las mediciones anteriores del momento magnético del antiprotón habían alcanzado una precisión de 1.5 partes por mil millones, pero aún así coincidían con las del protón. Eso representa una enorme frustración para la física de partículas, ya que, si no existen diferencias entre ambas entidades, se vuelve imposible explicar por qué sobrevivió la materia después del Big Bang.
El uso de técnicas coherentes, como las oscilaciones de Rabi, permite ahora mejorar la resolución espectral de estas mediciones hasta en un factor de 10 o incluso 100, gracias a una mayor relación señal-ruido y una menor anchura de línea. Como detalla el paper: “la anchura de línea de la resonancia de transición del espín fue más de diez veces menor que en nuestras mediciones anteriores”. Esto podría permitir estudios de precisión sin precedentes sobre la posible ruptura de la simetría CPT —la que garantiza que las leyes de la física son las mismas para materia y antimateria—.
Una coreografía precisa en tres trampas cuánticas
El experimento no consistió simplemente en encender un láser y mirar qué pasaba. El protocolo es una coreografía meticulosa que implica tres trampas distintas y dos antipartículas diferentes. Una actúa como “partícula Larmor”, encargada de las oscilaciones de espín, y otra como “partícula ciclotrón”, que ayuda a medir el campo magnético con precisión.
Primero se prepara el estado inicial de espín en la trampa de análisis, se transporta el antiprotón a la trampa de precisión para inducir la oscilación, y luego se lo regresa a la trampa inicial para verificar si el espín ha cambiado. Cada paso requiere transportar partículas individuales con voltajes cuidadosamente programados, evitar cualquier colisión con materia ordinaria y registrar desviaciones del orden de milésimas de hertz.
Según los resultados publicados, el equipo logró obtener una probabilidad de inversión de espín superior al 80% con tiempos de coherencia del espín de hasta 50 segundos. Estos datos permiten ajustar con extrema fineza la frecuencia de resonancia de la partícula, lo que mejora la estadística general del experimento de forma notable.
Más allá del laboratorio: las instalaciones del futuro
Uno de los mayores retos de este tipo de estudios es que el entorno en el que se crean las antipartículas —como los aceleradores del CERN— no es el más adecuado para hacer experimentos ultraprecisos. Las vibraciones, los cambios de temperatura y el funcionamiento de los imanes de la instalación introducen ruido magnético que acorta drásticamente los tiempos de coherencia. De hecho, cuando los aceleradores están activos, ese tiempo se reduce a menos de 6 segundos.
Por eso, el equipo de BASE ha diseñado un sistema llamado BASE-STEP, un conjunto de trampas transportables que permitirá mover los antiprotóns a instalaciones mucho más silenciosas, tanto dentro como fuera del CERN. En estas nuevas ubicaciones, será posible realizar experimentos con condiciones mucho más estables, lo que abriría la puerta a mediciones aún más precisas.
Como explica el artículo original, “una nueva trampa de Penning de precisión offline... podría permitirnos alcanzar tiempos de coherencia del espín incluso diez veces más largos que en los experimentos actuales”.
El verdadero potencial de un cúbit hecho de antimateria
Desde el punto de vista tecnológico, convertir una antipartícula en un cúbit operativo no es un simple ejercicio académico. Supone un paso hacia una física cuántica más universal, en la que también la antimateria pueda ser manipulada con la misma fineza que los átomos y electrones habituales.
Pero más allá de posibles aplicaciones en computación cuántica, este avance apunta directamente a uno de los mayores misterios del cosmos. Si se descubren diferencias reales entre las propiedades magnéticas del protón y el antiprotón, los modelos actuales del Big Bang deberán ser revisados, y podría abrirse una ventana hacia nuevas teorías físicas más allá del Modelo Estándar, incluyendo la posibilidad de interacciones ocultas con la materia oscura.
Por ahora, el experimento marca un antes y un después. No solo por lo que consigue, sino por lo que demuestra: que es posible hacer espectroscopía cuántica coherente con una única antipartícula, y hacerlo durante el tiempo suficiente como para extraer datos útiles. Y eso, en física experimental, es el tipo de proeza que redefine lo que es posible.
Referencias
- B.M. Latacz et al. Coherent spectroscopy with a single antiproton spin, Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09323-1.
