La búsqueda por demostrar la existencia de un nuevo tipo de partícula cuántica.

En un tranquilo día de pandemia en 2021, Zhiyuan Wang, quien en ese momento era estudiante de posgrado en la Universidad Rice, se encontró enfrentando un problema matemático extraño que captó su atención. Al descubrir una solución inusual, comenzó a preguntarse si las matemáticas podrían interpretarse físicamente. Con el tiempo, llegó a la conclusión de que parecía describir un nuevo tipo de partícula, distinta tanto de las partículas que componen la materia como de las que llevan fuerzas. Esta partícula parecía encajar en una categoría completamente nueva.

Wang estuvo ansioso por desarrollar esta accidentalidad en una teoría más completa sobre esta tercera clase de partículas. Presentó su idea a su asesor académico, Kaden Hazzard, quien inicialmente mostró escepticismo. Sin embargo, tras algunas reflexiones, Hazzard lo animó a concentrarse íntegramente en esta investigación, dejando a un lado otros proyectos en los que estaba trabajando. En enero de este año, Wang, ahora investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania, y Hazzard publicaron sus hallazgos en la revista Nature. Su trabajo respalda la existencia de partículas llamadas parapartículas, que podrían dar lugar a nuevos materiales intrigantes.

Justo cuando se publicó el trabajo de Wang y Hazzard, Markus Müller, un físico del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica en Viena, estaba contemplando el concepto de parapartículas por motivos diferentes. Según la mecánica cuántica, un objeto o un observador puede encontrarse en múltiples ubicaciones al mismo tiempo. Müller pensaba en cómo, en el papel, es posible alternar entre las perspectivas de observadores que coexisten en estas "ramas" de la realidad. Así, se dio cuenta de que esto implicaba nuevas limitaciones sobre la posibilidad de las parapartículas. Su equipo presentó sus resultados en un preprint en febrero, que ahora está bajo revisión para su publicación.

La coincidencia en la aparición de ambos documentos está lejos de ser un accidente. El trabajo conjunto está reabriendo un enigma físico que se creía resuelto hace varias décadas. Una pregunta fundamental está siendo reevaluada: ¿qué tipos de partículas son permitidas en nuestro mundo?

Todos los partículas elementales conocidas se agrupan en dos categorías que se comportan casi como opuestos. Por un lado, están los fermiones, que constituyen la materia, y por otro, los bosones, que transmiten fuerzas fundamentales. La característica definitoria de los fermiones es que, al intercambiar las posiciones de dos de ellos, el estado cuántico obtiene un signo negativo. Esta peculiaridad significa que no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo y, al estar comprimidos, los fermiones no pueden ser apretados más allá de un cierto punto. Esto previene que la materia colapse, lo que explica por qué los electrones en cada átomo se organizan en "capas". Sin esta propiedad, la existencia de la materia no sería posible.

En contraste, los bosones no tienen esa restricción; pueden compartir el mismo estado sin problemas. Por ejemplo, cualquier número de partículas de luz puede encontrarse en el mismo lugar, lo que permite la creación de láseres que emiten multitud de partículas de luz idénticas.

Sin embargo, no está claro si los fermiones y bosones deben ser las únicas dos opciones. Un aspecto fundamental de la teoría cuántica implica que, para calcular la probabilidad de medir una partícula en un estado determinado, hay que multiplicar la descripción matemática de ese estado por sí misma, lo que puede borrar distinciones, como un signo negativo que desaparece.

A pesar de que las teorías existentes parecían descartar la posibilidad de las parapartículas, Wang y Hazzard ofrecieron un nuevo enfoque. Reconocieron que las suposiciones detrás de la teoría DHR podían ser malinterpretadas. En su modelo, grupos de parapartículas comparten propiedades ocultas adicionales que no son directamente medibles pero que influyen en el comportamiento de las partículas. Cuando se intercambian dos parapartículas, estas propiedades ocultas cambian simultáneamente, creando un complejo juego de influencias invisibles entre ellas.

Müller, por su parte, reconsideró las teoremas de DHR desde una nueva perspectiva, sugiriendo que en un sistema cuántico todo puede existir en una superposición de estados. Bajo este enfoque, cuando analizan el fenómeno de las parapartículas, deducen que en ciertos contextos, estas podrían no ser posibles. Sin embargo, la teorización de Wang y Hazzard se sostiene precisamente al rechazar esta suposición de indistinguibilidad total en relación con las superposiciones.

La existencia de parapartículas podría transitar por la manifestación de quasipartículas, que se presentarían como vibraciones en materiales cuánticos específicos. Futuros experimentos, posiblemente utilizando átomos de Rydberg, podrían facilitar la creación e identificación de estas partículas que, aunque actualmente son un concepto teórico, tienen el potencial de abrir nuevas vías en la comprensión de la materia.