¿La antimateria cae o sube en un campo gravitacional? Hasta ahora la respuesta no ha sido clara; Los físicos sólo podían suponer que la antimateria también es atraída por la gravedad y cae hacia abajo. Ahora un equipo del centro de investigación CERN ha conseguido por primera vez observar la caída de átomos de antihidrógeno y medir directamente el efecto de la gravedad sobre la antimateria. Su experimento ALPHA-g confirma que la antimateria también es atraída por la gravedad. Los antiátomos liberados de una trampa magnética se comportaron de manera similar a los átomos de hidrógeno ordinarios en la misma situación: la mayoría de ellos se hundieron. Sin embargo, el margen de error en las mediciones sigue siendo relativamente grande. Por tanto, no se puede excluir que la gravedad actúe sobre la antimateria de la misma manera, pero con una intensidad ligeramente diferente. Ahora habrá que realizar más mediciones para aclarar si este es el caso.
Según el modelo estándar de la física, para cada tipo de partícula de materia normal existe también una contraparte en forma de antimateria. Las antipartículas son similares a sus contrapartes materiales en forma de imágenes e imágenes especulares, pero tienen la carga opuesta, por ejemplo en el caso del electrón cargado negativamente y su antipartícula cargada positivamente, el positrón. Cuando la antimateria se encuentra con la materia normal se produce la aniquilación: ambas partículas se aniquilan entre sí y liberan energía. Sin embargo, hasta ahora no estaba claro cómo se comporta la antimateria en relación con la gravedad: ¿se atrae como la materia normal? ¿O sigue una especie de antigravedad y se mueve exactamente en la dirección opuesta? La teoría general de la relatividad de Albert Einstein trata todas las formas de materia por igual, por lo que su principio de equivalencia débil, que describe la interacción de las masas con la gravedad, también debería aplicarse a la antimateria. Sin embargo, en 1915 aún no se había descubierto la antimateria; fue descubierto recién en 1932.
Aunque los modelos teóricos y las conclusiones indirectas de los experimentos han sugerido desde hace tiempo que la antimateria también reacciona «normalmente» a la gravedad, esto aún no se ha demostrado directamente de manera experimental. «Uno podría preguntarse por qué no hicieron simplemente lo obvio y dejaron caer un trozo de antimateria, similar al experimento de caída de plomo y madera atribuido a Galileo», dice el coautor Joel Fajans de la Universidad de California en Berkeley y miembro de ALPHA – Colaboración en el CERN de Ginebra. «El problema, sin embargo, es que la fuerza gravitacional es increíblemente débil en comparación con las fuerzas electromagnéticas». Un campo eléctrico de sólo un voltio por metro ejerce una fuerza sobre una partícula de antimateria cargada que es 40 billones de veces más fuerte que la gravedad de la Tierra. «Hasta ahora era imposible medir directamente la reacción gravitacional de un positrón, por ejemplo, mediante un experimento de caída, porque cualquier campo eléctrico en el entorno desviaría la antipartícula mucho más que la gravedad», explica Fajans.
Antihidrógeno en la prueba de caída.
El problema es, entre otras cosas, que durante mucho tiempo sólo era posible crear partículas de antimateria con carga única, como antiprotones o positrones. Para evitar que la antimateria entre en contacto con la materia normal y sea arrastrada por el viento, las partículas también deben mantenerse suspendidas en una trampa electromagnética. Pero esto significa que están bajo la influencia de campos electromagnéticos y esto distorsiona cualquier medición de la reacción gravitacional. Pero un avance logrado por los físicos de la colaboración ALPHA en el centro de investigación CERN cerca de Ginebra en 2010 abrió nuevas perspectivas: el equipo logró por primera vez combinar antiprotones y positrones para formar antihidrógeno neutro y retenerlo en una trampa magnética. A partir de esto, los físicos comenzaron a planificar y construir un experimento que permitiría medir directamente por primera vez la reacción del antihidrógeno a la gravedad.
En 2022, se finalizó el experimento ALPHA-g y el equipo de colaboración ALPHA comenzó a realizar mediciones. El sistema consta de una trampa magnética cilíndrica de unos 25 centímetros de alto, en la que quedan atrapados simultáneamente unos 100 átomos de antihidrógeno. “La estrategia experimental es conceptualmente simple: se capturan y recolectan átomos de antihidrógeno, luego se abren las barreras en la parte superior e inferior de la trampa vertical y se prueba la influencia de la gravedad en su movimiento al salir de la trampa y en su extinción en la pared de la trampa. aparato para ser leído”, explican los físicos. Los antiátomos atrapados se enfrían considerablemente, pero aún así se mueven en la trampa a unos 100 metros por segundo. A medida que las barreras magnéticas en los extremos se debilitan y luego caen por completo, gradualmente se escapan por sí solas. Si ahora fueran atraídos por la gravedad de la Tierra, gran parte del antihidrógeno debería escapar del fondo de la trampa. Si, por el contrario, la gravedad tuviera un efecto repulsivo sobre la antimateria, los antiátomos tendrían que ser empujados hacia arriba fuera de la trampa y extinguidos al entrar en contacto con la pared. Los detectores montados arriba y abajo cuentan cuántas aniquilaciones ocurren arriba y abajo.
(Vídeo: P. Traczyk y M. Brice/CERN)
La antimateria también es atraída por la gravedad.
Los resultados de estas mediciones ya están disponibles. Según esto, alrededor del 80 por ciento de los átomos de antihidrógeno escaparon de la trampa magnética hacia abajo y allí se extinguieron al entrar en contacto con la materia. La antimateria se comportó casi exactamente como lo haría una nube de átomos de hidrógeno ordinarios en esta trampa. En concreto, los físicos determinaron que el antihidrógeno es atraído por la gravedad de la Tierra en 0,75 ± 0,29 g. Esto significa que el resultado de la medición con su margen de error se encuentra dentro del rango de gravedad normal de la Tierra de 1 g, como explica el equipo. «Por lo tanto, descartamos la posibilidad de que la antimateria sea repelida por la fuerza gravitacional», dice el autor principal y miembro de la colaboración ALPHA, Jonathan Wurtele, de la Universidad de California en Berkeley. «El resultado opuesto habría tenido enormes implicaciones y contradiría el débil principio de equivalencia de la teoría general de la relatividad de Einstein».
El equipo de colaboración ALPHA logró por primera vez medir directamente el efecto de la gravedad sobre la antimateria y aclarar la cuestión fundamental de cómo responde la antimateria a la gravedad. «Si se preguntara a los físicos aquí, probablemente todos dirían que este resultado no les sorprende en lo más mínimo», afirma Wurtele. “Pero la mayoría de ellos también diría que este experimento tenía que hacerse porque nunca se puede estar seguro. La física es una ciencia experimental.» Además, los resultados de las mediciones son todavía relativamente imprecisos. Por tanto, no es imposible que la antimateria también sea atraída por la gravedad, aunque quizás en diferente medida. El equipo colaborativo de ALPHA espera aclarar esta cuestión con la ayuda de mediciones de seguimiento más precisas. «Este experimento es sólo el primer paso en el desarrollo de la investigación sobre la antimateria neutra», afirma Wurtele.
Fuente: Colaboración ALPHA, Naturaleza, doi: 10.1038/s41586-023-06527-1
