Ahondar en el conocimiento de las interacciones antimateria-materia
El positronio es un átomo relativamente poco conocido, pero con mucho potencial. Carece de núcleo y se forma a partir de la unión entre un electrón con carga negativa y su antipartícula, un positrón con carga positiva. Esto hace del positronio el antiátomo más simple: un átomo que contiene antimateria. Los átomos de positronio son inestables, lo que ayudó a los científicos a descubrirlo. «El positronio es inestable, lo que significa que solo existe durante un tiempo finito, antes de que el electrón y el positrón se aniquilen mutuamente, convirtiendo la masa en energía pura en forma de luz», explica Dermot Green, profesor adjunto de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica en la Queen's University Belfast. «Esta señal de aniquilación, explosiones de luz detectable, fue la pista que nos dijo que el positronio existía». Un conocimiento más detallado de las interacciones entre el positronio y la materia podría ayudar a lograr avances en campos que van de la astrofísica a la medicina. «En medicina, los positrones son la base de la tomografía por emisión de positrones, por ejemplo», explica Green, coordinador del proyecto ANTI-ATOM. En el proyecto ANTI-ATOM, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI), Green y sus colaboradores combinaron teoría y computación para desarrollar la descripción teórica de estas interacciones complejas. «Nuestro trabajo aporta información básica sobre las interacciones de los positrones con átomos y moléculas y, en términos más generales, sirve de base y referencia para otras aproximaciones teóricas y computacionales al problema cuántico de muchos cuerpos », agrega Green.
Ajuste de la unión positrón-molécula
«Nuestra labor se centró en calcular la unión de positrones con moléculas», explica Green. Cuando un positrón se une a una molécula, cede su energía a esta, la cual puede empezar a vibrar, comenta el investigador. El positrón no puede escapar hasta que recupere esa energía. Al mismo tiempo, está rodeado de muchos electrones en la molécula, por lo que inevitablemente se aniquila. «Experimentadores pioneros de California, dirigidos por el ilustre Clifford Surko, diseñaron una trampa de positrones y un haz de energía ajustable, que utilizaron para medir esta tasa de aniquilación mejorada», señala Green.
Desarrollo de una teoría de las interacciones
Describir las interacciones de los positrones con átomos y moléculas es un problema muy difícil, debido a las fuertes interacciones cuánticas de muchos cuerpos que caracterizan estos sistemas. Por ello, el equipo del proyecto recurrió a métodos teóricos sofisticados, cuyos orígenes se remontan a la teoría cuántica de campos, pero adaptados a sistemas finitos de baja energía. Esos métodos se tradujeron en códigos informáticos de última generación, con cálculos ejecutados en clústeres de supercomputación. «Para la parte computacional, nos beneficiamos mucho de la colaboración con Charles Patterson, del Trinity College de Dublín», observa Green. «Adaptamos su código EXCITON, capaz de efectuar cálculos de muchos cuerpos en sistemas electrón-materia, para incluir positrones».
Una descripción revolucionaria del positrón
El resultado más importante del proyecto fue la primera descripción «ab initio» de la unión de positrones a moléculas, el cual concuerda con experimentos previos, algo que no había sido posible lograr durante decenios. «Nuestros resultados coinciden perfectamente con los experimentos y ofrecen información básica sobre cómo mejorar la unión de los positrones», comenta Green. Los investigadores se proponen ahora ampliar sus planteamientos teóricos y computacionales, utilizándolos como base sólida para estudiar nuevos problemas, entre ellos moléculas más grandes, cúmulos, líquidos y otros procesos fundamentales, por ejemplo, la dispersión de electrones y positrones en átomos y moléculas. «Me han concedido una subvención de consolidación del CEI, la cual nos ayudará a lograrlo», concluye Green.
Palabras clave
ANTI-ATOM, positronio, cuántico, problema de muchos cuerpos, molécula, unión, teoría, interacciones, descripción