Técnicamente, tanto los electrones como los fotones se consideran partículas fundamentales, en el sentido de que no se pueden descomponer en partes más pequeñas como lo haría con un protón en quarks y gluones. Pero algunos físicos creen que, en condiciones muy especiales, los electrones se pueden dividir en mitades, una idea que propuso por primera vez hace casi un siglo el físico italiano Ettore Majorana. Ahora, los investigadores de Dartmouth y el Instituto Politécnico SUNY han ideado un marco teórico que respalda la reducción a la mitad de los componentes básicos de la luz: los fotones.
“Este es un gran cambio de paradigma de cómo entendemos la luz de una manera que no se creía posible”, dijo Lorenza Viola, profesora de Física en Dartmouth e investigadora principal del estudio. “No solo encontramos una nueva entidad física, sino que era una que nadie creía que pudiera existir”.
Los físicos señalan que no quieren decir que un fotón pueda separarse físicamente. En cambio, las mitades de fotones siempre están juntas, pero son lo suficientemente distintas como para que puedan describirse individualmente y funcionar como unidades separadas.
“Cada fotón puede considerarse como la suma de dos mitades distintas”, dijo Vincent Flynn, un Ph.D. candidato en Dartmouth y primer autor del artículo. “Pudimos identificar las condiciones para aislar estas mitades entre sí”.
Para comprender mejor este novedoso marco teórico, la profesora Viola utiliza las fases del agua como analogía. El agua líquida se comporta de manera muy diferente al hielo o al vapor, pero todas las formas de materia son esencialmente agua al final del día. Al igual que el agua puede cruzar entre diferentes fases, la luz puede existir en diferentes fases y, en una de estas fases, los fotones aparecen como dos mitades distintas.
“El agua es agua independientemente de su forma líquida o sólida. Simplemente se comporta de manera diferente dependiendo de las condiciones físicas”, dijo Viola. “Así es como debemos acercarnos a nuestra comprensión de la luz: como la materia, puede existir en diferentes fases”.
El bosón de Majorana
Todas las partículas subatómicas se pueden dividir en dos grandes familias: fermiones y bosones. Los fermiones, como los electrones, protones y neutrones, constituyen toda la materia ordinaria, mientras que los bosones, como los fotones y los bosones, crean las fuerzas que unen toda esta materia.
En 1937, los físicos predijeron la existencia de partículas neutras similares a electrones conocidas como fermiones de Majorana, esencialmente “mitades” de electrones. En 2001, los investigadores presentaron un proceso mediante el cual los electrones en realidad podrían dividirse a la mitad en ciertos superconductores. Estas cuasipartículas son de especial interés para los científicos que trabajan en computadoras cuánticas porque pueden usarse como qubits. Sin embargo, hasta ahora, el fotón siempre se ha considerado totalmente indivisible.
“Los fermiones y los bosones son tan diferentes como pueden ser dos cosas en física”, dijo Emilio Cobanera, profesor asistente de física en el Instituto Politécnico SUNY y coautor del estudio. “En efecto, las partículas son imágenes distorsionadas unas de otras. La existencia de los fermiones de Majorana fue nuestra pista principal de que el bosón de Majorana se escondía en algún lugar del espejo de la casa de la risa”.
La idea de que los fotones pueden existir en dos formas divididas distintas extiende los límites de la física y es, sin duda, intrigante. Sin embargo, requerirá confirmación mediante experimentos. Según los autores del nuevo estudio, se puede acceder a un experimento diseñado para detectar mitades de fotones utilizando la tecnología existente y no implicaría una configuración más grande que una mesa, a diferencia de los aceleradores de partículas masivos en el CERN necesarios para la detección del escurridizo bosón de Higgs. Los hallazgos podrían tener implicaciones importantes en los campos de los sensores ópticos y los procesadores de información cuántica, y podrían abrir las puertas para descubrir fases nuevas y exóticas de la luz y la materia.
“Para hacer este descubrimiento tuvimos que desafiar creencias arraigadas y realmente pensar fuera de la caja”, dijo Viola. “Hemos dividido algo que antes se pensaba que no se podía dividir, y nunca veremos la luz de la misma manera”.
Los hallazgos se describen en las Physical Review Letters.
Fuente: ZME Science.
