En una tranquila tarde de pandemia de 2021, Zhiyuan Wang, entonces estudiante de posgrado en la Universidad Rice, aliviaba su aburrimiento resolviendo un extraño problema matemático. Tras encontrar una solución inusual, empezó a preguntarse si las matemáticas podrían interpretarse físicamente. Finalmente, se dio cuenta de que parecía describir un nuevo tipo de partícula: una que no es ni de materia ni portadora de fuerza. Parecía ser algo completamente distinto.
Wang estaba ansioso por desarrollar el descubrimiento accidental en una teoría completa de este tercer tipo de partícula. Presentó la idea a Kaden Hazzard, su asesor académico.
“Dije: ‘No estoy seguro de creer que esto pueda ser cierto'”, recordó Hazzard, “pero si realmente crees que lo es, deberías dedicarle todo tu tiempo y dejar todo lo demás en lo que estés trabajando”.
En enero de este año, Wang, ahora investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Alemania, y Hazzard publicaron su resultado mejorado en la revista Nature. Afirman que una tercera clase de partículas, llamadas parapartículas, puede existir, y que estas partículas podrían producir materiales nuevos y extraños.
Cuando se publicó el artículo, Markus Müller, físico del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Viena, ya se enfrentaba a la noción de parapartículas por una razón distinta. Según la mecánica cuántica, un objeto u observador puede estar en múltiples ubicaciones a la vez. Müller reflexionaba sobre cómo, en teoría, se pueden alternar las perspectivas de los observadores en estas “ramas” coexistentes de la realidad. Se dio cuenta de que esto conllevaba nuevas limitaciones a la posibilidad de las parapartículas, y su equipo describió sus resultados en una preimpresión en febrero, que ahora se encuentra en revisión para su publicación en una revista.
La coincidencia en la publicación de ambos artículos fue una coincidencia. Pero en conjunto, el trabajo reabre un misterio de la física que se creía resuelto hace décadas. Se está reevaluando una pregunta fundamental: ¿Qué tipos de partículas admite nuestro mundo?
Mundos ocultos
Todas las partículas elementales conocidas se clasifican en dos categorías, y ambas se comportan prácticamente como opuestas: las partículas que componen la materia, llamadas fermiones, y las partículas que imparten las fuerzas fundamentales, llamadas bosones.
La característica que define a los fermiones es que, si se intercambian las posiciones de dos fermiones, su estado cuántico adquiere un signo menos. La presencia de ese mísero signo menos tiene enormes consecuencias. Significa que dos fermiones no pueden estar en el mismo lugar al mismo tiempo. Al estar empaquetados, los fermiones no pueden comprimirse más allá de cierto punto. Esta característica impide que la materia colapse sobre sí misma; es la razón por la que los electrones de cada átomo existen en capas. Sin este signo menos, no existiríamos.
Los bosones no tienen tal restricción. Grupos de bosones harán exactamente lo mismo. Cualquier número de partículas de luz, por ejemplo, puede estar en el mismo lugar. Esto es lo que permite construir láseres, que emiten muchas partículas de luz idénticas. Esta capacidad se debe a que, cuando dos bosones intercambian posiciones, su estado cuántico permanece inalterado. No es obvio que los fermiones y los bosones deberían ser las únicas dos opciones.
Esto se debe en parte a una característica fundamental de la teoría cuántica: para calcular la probabilidad de medir una partícula en un estado determinado, hay que tomar la descripción matemática de ese estado y multiplicarla por sí misma. Este procedimiento puede borrar las distinciones. Un signo menos, por ejemplo, desaparecerá. Si se le da el número 4, un concursante de Jeopardy! no tendría forma de saber si la pregunta era “¿Cuánto es 2 al cuadrado?” o “¿Cuánto es -2 al cuadrado?”; ambas posibilidades son matemáticamente válidas.
Debido a esta característica, los fermiones, a pesar de adquirir un signo menos al intercambiarse, parecen todos iguales al medirlos: el signo menos desaparece al elevar al cuadrado los estados cuánticos. Esta indistinguibilidad es una propiedad crucial de las partículas elementales; ningún experimento puede distinguir dos iguales.
Pero un signo menos podría no ser lo único que desaparece. En teoría, las partículas cuánticas también pueden tener estados internos ocultos, estructuras matemáticas no observadas en mediciones directas, que también desaparecen al elevarlas al cuadrado. Una tercera categoría de partícula, más general, conocida como parapartícula, podría surgir de este estado interno que cambia de múltiples maneras mientras las partículas intercambian posiciones.
Si bien la teoría cuántica parece permitirlo, los físicos han tenido dificultades para encontrar una descripción matemática de una parapartícula que funcione. En la década de 1950, el físico Herbert Green realizó algunos intentos, pero un análisis más detallado reveló que estos modelos de parapartículas eran en realidad simples combinaciones matemáticas de bosones y fermiones típicos.
En la década de 1970, el misterio de por qué nadie podía encontrar un modelo adecuado de parapartículas parecía resuelto. Un conjunto de teoremas denominados teoría DHR, en honor a los físicos matemáticos Sergio Doplicher, Rudolf Haag y John Roberts, demostró que, si ciertas suposiciones son ciertas, solo los bosones y los fermiones son físicamente posibles. Una de ellas es la “localidad”, la regla según la cual los objetos solo pueden verse afectados por las cosas en su vecindad. (“Si golpeo mi mesa, mejor no afecto a la luna instantáneamente”, como lo expresó Hazzard). La prueba DHR también suponía que el espacio es (al menos) tridimensional.
Los resultados desalentaron nuevas incursiones en el estudio de parapartículas durante décadas, con una excepción. A principios de la década de 1980, el físico Frank Wilczek ideó una teoría de partículas llamadas aliones, que no pueden describirse ni como bosones ni como fermiones. Para sortear los teoremas DHR, los anyones tienen una gran desventaja: solo pueden existir en dos dimensiones.
Los físicos estudian ampliamente los aliones por su potencial en la computación cuántica. Incluso confinados a dos dimensiones, podrían manifestarse en la superficie plana de un material o en una matriz 2D de cúbits en una computadora cuántica. Pero las parapartículas tridimensionales que pudieran formar un sólido aún parecían imposibles. Es decir, hasta ahora.
Miras cambiantes
Al desarrollar su modelo, Wang y Hazzard observaron que los supuestos de la teoría DHR trascendían las preocupaciones típicas de localidad. “Creo que se sobreinterpretaron las limitaciones o restricciones que realmente imponían estos teoremas”, afirmó Hazzard. Se dieron cuenta de que, después de todo, las parapartículas podrían ser teóricamente posibles.
En su modelo, además de las propiedades habituales de una partícula, como la carga y el espín, los grupos de parapartículas comparten propiedades ocultas adicionales. Al igual que con el signo menos que se eleva al cuadrado durante una medición, estas propiedades ocultas no se pueden medir directamente, pero modifican el comportamiento de las partículas.
Al intercambiar dos parapartículas, estas propiedades ocultas cambian simultáneamente. Como analogía, imaginemos que estas propiedades son colores. Partamos de dos parapartículas, una con un color rojo interno y otra con un color azul interno. Al intercambiarlas, en lugar de conservar estos colores, ambas cambian de forma correspondiente, según lo prescrito por las matemáticas del modelo particular. Quizás el intercambio las deje en verde y amarillo. Esto rápidamente se convierte en un juego complejo, donde las parapartículas se afectan mutuamente de formas invisibles a medida que se mueven.
Mientras tanto, Müller también estaba ocupado repensando los teoremas DHR. “No siempre es del todo transparente su significado, porque se trata de un marco matemático muy complejo”, afirmó.
Su equipo adoptó un nuevo enfoque para la cuestión de las parapartículas. Los investigadores consideraron que los sistemas cuánticos pueden existir en múltiples estados posibles a la vez, lo que se denomina superposición. Imaginaron alternar entre las perspectivas de los observadores que se encuentran en estos estados superpuestos, cada uno de los cuales describe su rama de la realidad de forma ligeramente distinta. Si dos partículas son realmente indistinguibles, concluyeron, entonces no importará si se intercambian en una rama de la superposición y no en la otra.
“Quizás si las partículas están cerca, las intercambio, pero si están lejos, no hago nada”, dijo Müller. “Y si están en una superposición de ambas, entonces hago el intercambio en una rama y nada en la otra”. Que los observadores de las diferentes ramas etiqueten las dos partículas de la misma manera no debería suponer ninguna diferencia.
Esta definición más estricta de indistinguibilidad en el contexto de las superposiciones impone nuevas restricciones a los tipos de partículas que pueden existir. Cuando se cumplen estas suposiciones, los investigadores descubrieron que las parapartículas son imposibles. Para que una partícula sea verdaderamente indistinguible mediante medición, como los físicos esperan que sea el caso de las partículas elementales, debe ser un bosón o un fermión.
Aunque Wang y Hazzard publicaron su artículo primero, es como si anticiparan las limitaciones de Müller. Sus parapartículas son posibles porque su modelo rechaza la suposición inicial de Müller: las partículas no son indistinguibles en el sentido pleno requerido en el contexto de las superposiciones cuánticas. Esto tiene una consecuencia. Si bien intercambiar dos parapartículas no afecta las mediciones de una persona, dos observadores, al compartir sus datos, pueden determinar si las parapartículas se han intercambiado. Esto se debe a que intercambiar parapartículas puede cambiar la relación entre las mediciones de dos personas. En este sentido, podrían distinguir las dos parapartículas.
Esto significa que existe la posibilidad de nuevos estados de la materia. Mientras que los bosones pueden agrupar un número infinito de partículas en un mismo estado, y los fermiones no pueden compartir ningún estado, las parapartículas se encuentran en un punto intermedio. Son capaces de agrupar solo unas pocas partículas en un mismo estado, antes de aglomerarse y forzar a otras a nuevos estados. La cantidad exacta de partículas que se pueden agrupar depende de los detalles de la parapartícula; el marco teórico permite infinitas opciones.
“Su artículo me parece realmente fascinante y no hay en absoluto contradicción con lo que hacemos”, afirmó Müller.
El camino a la realidad
Si existen parapartículas, lo más probable es que sean partículas emergentes, llamadas cuasipartículas, que aparecen como vibraciones energéticas en ciertos materiales cuánticos.
“Podríamos obtener nuevos modelos de fases exóticas, que antes eran difíciles de entender, que ahora se pueden resolver fácilmente usando parapartículas”, dijo Meng Cheng, un físico de la Universidad de Yale que no participó en la investigación.
Bryce Gadway, físico experimental de la Universidad Estatal de Pensilvania, quien colabora ocasionalmente con Hazzard, se muestra optimista respecto a que las parapartículas se materializarán en el laboratorio en los próximos años. Estos experimentos utilizarían átomos de Rydberg, átomos energizados con electrones que se desplazan muy lejos de sus núcleos. Esta separación de las cargas positiva y negativa hace que los átomos de Rydberg sean especialmente sensibles a los campos eléctricos. Se pueden construir computadoras cuánticas a partir de átomos de Rydberg en interacción. También son los candidatos ideales para la creación de parapartículas.
“Para cierto tipo de simulador cuántico de Rydberg, esto es prácticamente lo que harían de forma natural”, dijo Gadway sobre la creación de parapartículas. “Simplemente hay que prepararlas y observar su evolución”.
Pero por ahora, el tercer reino de las partículas sigue siendo totalmente teórico.
“Las parapartículas podrían llegar a ser importantes”, afirmó Wilczek, físico ganador del Premio Nobel e inventor de los aliones. “Pero por ahora son básicamente una curiosidad teórica”.
Fuente: Live Science.
