Un estudio español sobre la ruptura de la simetría en el tiempo, portada de la revista con mayor impacto en Física

La revista Reviews of Modern Physics ha escogido un artículo elaborado por los científicos José Bernabéu Alberola y Fernando Martínez Vidal del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) para la portada de su último número. El artículo forma parte de los 'coloquios' de la revista, que describen trabajos recientes de interés general en la frontera de la física y con impacto en campos diversos.

Esta elección refleja el impacto del un trabajo anterior realizado por la colaboración internacional BaBar del Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) de EE UU. Se publicó en 2012 en la revista Physical Review Letters.

En la nueva publicación, una de las de mayor índice de impacto a nivel internacional por delante de Nature y Science, los autores del IFIC han incluido una figura que ilustra los fundamentos del experimento que ha permitido comprobar directamente y con un elevado nivel de significancia la ruptura de la simetría temporal en las leyes fundamentales de la Física.

Esquema que explica el experimento para comprobar la ruptura de la simetría temporal a nivel cuántico. Imagen: J. Bernabéu y F. Martínez-Vidal

Las simetrías, o la falta (ruptura) de ellas, son una piedra angular para la comprensión de las leyes fundamentales que rigen la naturaleza. Una de las simetrías más importantes pero también de las más difíciles de detectar directamente en el laboratorio, es la de inversión temporal. Se dice que existe simetría bajo inversión temporal si las mismas leyes físicas son válidas tanto para un sentido de su movimiento como para su inverso, lo que equivale a decir que funcionan igual hacia delante como hacia atrás en el tiempo.

Esto no guarda ninguna relación con la flecha del tiempo macroscópica, tan familiar en la vida cotidiana, sino que afecta a las leyes cuánticas que rigen el mundo microscópico. Para una partícula aislada, el paso del tiempo parece el mismo hacia delante y hacia atrás, es decir, su movimiento es reversible o temporalmente simétrico.

Sin embargo, esta simetría se rompe en ciertos procesos físicos, como el que fue observado con mesones B, una partícula compuesta por un quark de tipo b (llamado belleza, beauty en inglés) y un antiquark de tipo d (llamado abajo, down), por el experimento BaBar en noviembre de 2012. Esta asimetría se halla estrechamente ligada a una de las propiedades más enigmáticas de la naturaleza, la diferencia entre materia y antimateria.

Partículas entrelazadas

La observación directa de la asimetría temporal fue posible gracias a la capacidad única del experimento para producir pares entrelazados de mesones B. Dos partículas se hallan entrelazadas cuando sus propiedades cuánticas no son independientes entre sí, aunque estén separadas espacialmente. Este fenómeno, uno de los más asombrosos de la mecánica cuántica, fue presentado durante largo tiempo como una paradoja (conocida como de Einstein-Podolsky-Rosen, o EPR).

Hoy día, comprobada experimentalmente, su uso se ha generalizado en varios campos como el de la información y computación cuánticas. En este experimento se utiliza de modo que al medir el estado de uno de los mesones B puede inferirse el estado de su compañero. Con ello fue posible comparar ciertas transiciones entre pares de estados de mesones B con sus transiciones inversas y así comprobar que no ocurren del mismo modo.

Representación del proceso de transformación de un tipo de mesón B en otro con el paso del tiempo, mostrando como un B rojo se convierte en uno azul. / Greg Stewart, SLAC

El estudio inicial de 2012, propuesto y liderado por científicos del IFIC, también fue seleccionado por los editores de la revista como Viewpoint in Physics. Solo un centenar de unos 18.000 artículos publicados anualmente por la Sociedad Americana de Física (APS) son así elegidos.

Otras publicaciones como Physics Today, Nature, The Economist y Physics World publicaron artículos y reseñas sobre este resultado. Esta última, que confecciona anualmente las investigaciones que considera Top 10 de Física del año, seleccionó este resultado en la tercera posición del año 2012. La primera posición la ocupó el descubrimiento del bosón de Higgs en el CERN.

Referencia bibliográfica:

J. Bernabéu and F. Martínez-Vidal. "Time-reversal violation with quantum-entangled B mesons". Rev. Mod. Phys. 87, 165, 23 de febrero de 2015