El deuterón es el núcleo atómico más simple que existe: un protón y un neutrón unidos por la fuerza nuclear fuerte. Su gran simplicidad es lo que lo hace valioso para los físicos. En un sistema de solo dos partículas, las predicciones teóricas pueden hacerse con una precisión inusualmente alta, y cualquier desviación de esas predicciones se convierte en una señal clara de algo nuevo.
Una nueva medición de la Colaboración JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) en el anillo de almacenamiento COSY del Forschungszentrum Jülich, Alemania, ha establecido el primer límite experimental directo sobre si el deuterón posee un momento dipolar eléctrico (EDM) permanente, una separación de carga positiva y negativa dentro del núcleo que indicaría una ruptura de las simetrías fundamentales. El resultado, publicado en Physical Review Letters, establece un límite superior de |d^d| < 2.5 × 10^(-17) e·cm con un 95 % de confianza.
No se encontró ninguna asimetría. Pero la búsqueda en sí misma es un paso significativo hacia la explicación de uno de los misterios más profundos de la física: por qué el universo contiene algo en lugar de nada.
Carga y simetría
Un momento dipolar eléctrico permanente es exactamente lo que parece: una separación de carga positiva y negativa dentro de una partícula, que le da un extremo “más” y un extremo “menos” distintos, como una batería microscópica. Para una partícula fundamental o un núcleo simple, tal separación violaría tanto la simetría de paridad (P), la equivalencia de izquierda y derecha, como la simetría de inversión temporal (T), la equivalencia de adelante y atrás en el tiempo. Mediante el teorema CPT, esto también implica la violación de la simetría CP (la combinación de conjugación de carga y paridad).
El modelo estándar de física de partículas predice que los EDM del deuterón son extremadamente pequeños, del orden de 10^(-32) e·cm, muy por debajo de cualquier experimento concebible. Cualquier EDM medible sería, por lo tanto, evidencia de “nueva física”, partículas o fuerzas más allá del modelo estándar que introducen fuentes adicionales de violación de CP.
¿Por qué es importante la violación de CP? Una de las tres condiciones necesarias para explicar por qué el Big Bang produjo más materia que antimateria, las condiciones de Sájarov, es que las leyes de la física deben violar la simetría CP. El modelo estándar incluye cierta violación de CP (a través de la matriz CKM en la mezcla de quarks), pero no lo suficiente para explicar la asimetría materia-antimateria observada. Encontrar nuevas fuentes de violación de CP ayudaría a cerrar esa brecha.
El deuterón es una sonda particularmente limpia porque su estructura de dos cuerpos permite a los teóricos calcular el EDM a partir de la cromodinámica cuántica y la teoría efectiva quiral con alta precisión. Una medición en el deuterón restringe una combinación específica de parámetros que violan CP, incluyendo acoplamientos isovectoriales pión-nucleón y cromo-EDM de quarks, que es diferente de las combinaciones investigadas por las búsquedas de EDM en neutrones o átomos.
La técnica del anillo de almacenamiento
El experimento JEDI utiliza un método radicalmente diferente al de las búsquedas tradicionales de EDM. En lugar de atrapar partículas neutras (neutrones) o átomos en campos eléctricos, el equipo hizo circular deuterones polarizados, deuterones cuyos espines están alineados en una dirección conocida, en el anillo de almacenamiento magnético COSY.
En un anillo de almacenamiento magnético, el espín del deuterón precede alrededor del campo magnético. Si el deuterón tuviera un EDM, ese EDM interactuaría con el campo eléctrico de movimiento que el deuterón experimenta en su propio marco de referencia mientras se mueve relativísticamente a través del campo magnético del anillo. Esto haría que el eje del espín se inclinara ligeramente fuera del plano horizontal, una inclinación proporcional a la magnitud del EDM.
El equipo utilizó un filtro Wien de radiofrecuencia para manipular el espín y sondear el eje de espín invariante (ISA), el eje alrededor del cual precede el espín. Una serpiente siberiana superconductora (un dispositivo magnético helicoidal) controló la orientación del espín, mientras que un solenoide enfriador de electrones mantuvo la polarización del haz y suprimió los efectos sistemáticos. Los polarímetros midieron la componente vertical de la polarización final del espín.
Las inclinaciones medidas fueron de unos milirradianes, dominadas por efectos sistemáticos, imperfecciones del campo magnético, errores de alineación, no por una señal de EDM. Esto permitió al equipo establecer el límite superior de 2.5 × 10^(-17) e·cm.
Lo que significa
El límite aún no es competitivo con las mejores restricciones de EDM de sistemas neutros, el neutrón (~1.8 × 10^(-26) e·cm) y el átomo de mercurio (~7 × 10^(-30) e·cm), pero es la primera medición directa realizada en un hadrón cargado. Es sensible a una combinación lineal diferente de parámetros de violación de CP que los EDM de neutrones o átomos, lo que significa que proporciona restricciones ortogonales. Una teoría que predice un EDM pequeño del neutrón pero un EDM grande del deuterón, por ejemplo, no puede ocultarse de esta medición.
Muchas extensiones del modelo estándar, supersimetría, modelos simétricos izquierda-derecha, modelos multi-Higgs, predicen EDM del deuterón en el rango de 10^(-24) a 10^(-28) e·cm. El límite actual no descarta estas posibilidades aún, pero establece la metodología experimental y valida la técnica del anillo de almacenamiento para futuras búsquedas más sensibles.
El siguiente paso es una instalación dedicada de EDM en anillo de almacenamiento, actualmente en discusión en el CERN y Jülich, con sensibilidades objetivo de 10^(-24) a 10^(-29) e·cm para protones, deuterones y núcleos de helio-3. A esas sensibilidades, la búsqueda sondearía directamente la violación de CP en escalas de energía TeV, complementando las búsquedas de nueva física del LHC.
“El deuterón es el núcleo compuesto más simple”, escribe Steven Hoekstra en un artículo de Nature News & Views que acompaña al resultado. “La medición es una prueba de principio para una técnica que podría, con una instalación dedicada, alcanzar la sensibilidad necesaria para sondear la violación de CP requerida para explicar la asimetría materia-antimateria del universo.”
Traducido por Alessandra
Fuentes:
Andres A, et al. (JEDI Collaboration). “First Experimental Limit on the Permanent Electric Dipole Moment of the Deuteron.” Physical Review Letters, Vol. 136, 241801 (2026). DOI: 10.1103/ns3s-ld4k
[Nature News & Views] Hoekstra S. “Electric fields probe the symmetry of the ‘heavy hydrogen’ nucleus.” Nature, June 2026. https://www.nature.com/articles/d41586-026-02036-z