Dos físicos teóricos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y la Universidad Rice de Houston han desarrollado un modelo matemático que revela la existencia de una nueva clase de partículas fundamentales, alejadas de las características propias de los fermiones y los bosones. Los científicos detrás del hallazgo prevén que estas ‘parapartículas’, además de sugerir nuevas formas posibles de materia, podrían tener implicaciones importantes en la tecnología del futuro.
Los especialistas en física de partículas son particularmente audaces. Jugar con las matemáticas puede llevarlos a resultados que, a primera vista, parecen contraintuitivos. Con la suficiente investigación, esas ecuaciones pueden conducir al ensanchamiento del modelo estándar.
Por ejemplo, un jugueteo con un signo negativo en 1928 por parte del físico Paul Dirac llevó a la revelación de la antimateria. También fue una idea alocada para explicar pérdidas insignificantes de energía lo que permitió encontrar a los esquivos neutrinos. La existencia de la afamada ‘partícula de Dios’, el bosón de Higgs, tardó 50 años en ser confirmada a través del colisionador de hadrones.
Bosones, fermiones y parapartículas
En el Modelo Estándar de Partículas, todos los elementos fundamentales conocidos pueden clasificarse en diferentes categorías según sus interacciones. Las más famosas son los fermiones y los bosones. En una simplificación prudente para los entusiastas de la mecánica cuántica, en la categoría de fermiones están todas aquellas partículas que constituyen la materia, como los quarks y los leptones. En la categoría de bosones, en cambio, se encuentran los elementos fundamentales que median las fuerzas entre otras partículas, como los fotones o los gluones.
Para los físicos especializados, la diferencia entre fermiones y bosones es mucho más compleja. Algunas partículas no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente, mientras que otras sí. El ejemplo clásico es la comparación entre electrones y fotones. Los primeros giran alrededor del átomo, pero cada electrón ocupa un espacio específico y no permite que otro esté en el mismo lugar al mismo tiempo. Los fotones, en cambio, pueden compartir ese estado y se mueven en sincronía. Gracias a esta regla de desplazamiento, conocida también como el principio de exclusión de Pauli, es que existen los elementos en la tabla periódica.
Aquí viene lo complicado. La física no describe el comportamiento de las partículas con metáforas o imágenes mentales, sino con fórmulas matemáticas. En los sistemas que se usan para estudiar los elementos, solo hay dos posibles variaciones determinadas por un signo negativo (-): la de los fermiones y la de los bosones.
En este juego con las fórmulas matemáticas, también es posible vislumbrar ‘nuevas partículas’ que teóricamente se comportan de manera diferente a los bosones y fermiones, pero, por necesitar de escenarios exóticos (como un universo de dos dimensiones), los resultados se han considerado solo como curiosidades matemáticas o callejones sin salida. La física tiene un nombre para ello: parapartículas.
Los físicos que publicaron su reciente investigación en Nature crearon un marco basado en matemáticas avanzadas para que las parapartículas puedan aparecer en sistemas físicos específicos. Sobre el papel, el comportamiento sugiere que tienen el potencial de conducir a nuevas aplicaciones tecnológicas porque los estados cambian de forma compleja cuando se intercambian entre sí. Las computadoras cuánticas usan principios físicos similares para operar y los científicos esperan poner a prueba sus modelos con equipos computacionales avanzados.
«Esto demuestra la posibilidad de un nuevo tipo de cuasipartícula en los sistemas de materia condensada y, de manera más especulativa, el potencial de tipos de partículas elementales previamente no considerados», finaliza el reporte de Nature.