Si dejaras caer antimateria, ¿caería hacia abajo o hacia arriba? En un experimento de laboratorio único, los investigadores han observado el camino descendente que siguen los átomos individuales de antihidrógeno, proporcionando una respuesta definitiva: la antimateria cae.
Al confirmar que la antimateria y la materia regular son atraídas gravitacionalmente, el hallazgo también descarta la repulsión gravitacional como la razón por la cual la antimateria está en gran medida ausente del universo observable.
Investigadores de la colaboración internacional Aparato de Física Láser Antihidrógeno (ALPHA) en el CERN en Suiza publicaron sus hallazgos hoy en la revista Naturalezaun esfuerzo apoyado por más de una docena de países e instituciones privadas, incluido Estados Unidos, a través del programa conjunto de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos y el Departamento de Energía en Ciencia e Ingeniería Básicas del Plasma.
«El éxito de la colaboración ALPHA es un testimonio de la importancia del trabajo en equipo entre continentes y comunidades científicas», dice Vyacheslav «Slava» Lukin, director de programa de la División de Física de NSF. «Comprender la naturaleza de la antimateria puede ayudarnos no sólo a comprender cómo surgió nuestro universo, sino que también puede permitir nuevas innovaciones que nunca antes se habían creído posibles, como las tomografías por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés) que han salvado muchas vidas al aplicar nuestro conocimiento sobre la antimateria para detectar tumores cancerosos en el cuerpo.»
El gemelo esquivo y volátil de la materia
Más allá de los imaginados motores warp alimentados con antimateria y los torpedos de fotones de Star Trek, la antimateria es completamente real, aunque misteriosamente escasa.
«La teoría de la relatividad general de Einstein dice que la antimateria debería comportarse exactamente igual que la materia», dijo Jonathan Wurtele, físico del plasma de la Universidad de California en Berkeley y miembro de la colaboración ALPHA. «Muchas mediciones indirectas indican que la gravedad interactúa con la antimateria como se esperaba», añadió, «pero hasta el resultado de hoy, nadie había realizado realmente una observación directa que pudiera descartar, por ejemplo, que el antihidrógeno se mueva hacia arriba y no hacia abajo en un campo gravitacional. «
Nuestros cuerpos, la Tierra y casi todo lo que los científicos conocen sobre el universo están hechos abrumadoramente de materia regular compuesta de protones, neutrones y electrones, como los átomos de oxígeno, carbono, hierro y otros elementos de la tabla periódica.
La antimateria, por otra parte, es gemela de la materia normal, aunque con algunas propiedades opuestas. Por ejemplo, los antiprotones tienen carga negativa mientras que los protones tienen carga positiva. Los antielectrones (también conocidos como positrones) son positivos mientras que los electrones son negativos.
Sin embargo, quizás lo más desafiante para los experimentadores es que «tan pronto como la antimateria toca la materia, explota», dijo Joel Fajans, miembro de la colaboración ALPHA y físico del plasma de la Universidad de California en Berkeley.
La masa combinada de materia y antimateria se transforma completamente en energía en una reacción tan poderosa que los científicos la llaman aniquilación.
«Para una masa dada, tales aniquilaciones son la forma más densa de liberación de energía que conocemos», añadió Fajans.
Pero la cantidad de antimateria utilizada en el experimento ALPHA es tan pequeña que la energía creada por la aniquilación de antimateria/materia es perceptible sólo para detectores sensibles.
«Aun así, tenemos que manipular la antimateria con mucho cuidado o la perderemos», afirmó Fajans.
Lanzando un explosivo de antimateria
«En términos generales, estamos produciendo antimateria y estamos haciendo un experimento tipo Torre Inclinada de Pisa», dijo Wurtele, refiriéndose al ancestro intelectual más simple de su experimento, el experimento quizás apócrifo de Galileo del siglo XVI que demuestra una aceleración gravitacional idéntica de dos objetos lanzados simultáneamente. de volumen similar pero masa diferente. «Estamos dejando ir la antimateria y estamos viendo si sube o baja».
Para el experimento ALPHA, el antihidrógeno estaba contenido dentro de una cámara de vacío cilíndrica alta con una trampa magnética variable, llamada ALPHA-g. Los científicos redujeron la fuerza de los campos magnéticos superior e inferior de la trampa hasta que los átomos de antihidrógeno pudieron escapar y la influencia relativamente débil de la gravedad se hizo evidente.
A medida que cada átomo de antihidrógeno escapaba de la trampa magnética, tocaba las paredes de la cámara por encima o por debajo de la trampa y se aniquilaba, lo que los científicos podían detectar y contar.
Los investigadores repitieron el experimento más de una docena de veces, variando la intensidad del campo magnético en la parte superior e inferior de la trampa para descartar posibles errores. Observaron que cuando los campos magnéticos debilitados se equilibraban con precisión en la parte superior e inferior, alrededor del 80% de los átomos de antihidrógeno se aniquilaban debajo de la trampa, un resultado consistente con cómo se comportaría una nube de hidrógeno regular en las mismas condiciones.
Por tanto, la gravedad hacía que el antihidrógeno cayera.
El misterio materia/antimateria
A pesar de algunas fuentes modestas de antimateria (como los positrones emitidos por la desintegración del potasio, incluso dentro de un plátano), los científicos no ven mucha de ella en el universo. Sin embargo, las leyes de la física predicen que la antimateria debería existir en cantidades aproximadamente iguales a las de la materia normal. Los científicos llaman a ese enigma el problema de la bariogénesis.
Una posible explicación es que la antimateria fue repelida gravitacionalmente por la materia normal durante el Big Bang, aunque los nuevos hallazgos sugieren que esa teoría ya no parece plausible.
«Hemos descartado que la antimateria sea repelida por la fuerza gravitacional en lugar de atraída», dijo Wurtele. Eso no significa que no haya una diferencia en la fuerza gravitacional sobre la antimateria, añade. Sólo una medición más precisa lo dirá.
Los investigadores de la colaboración ALPHA seguirán investigando la naturaleza del antihidrógeno. Además de perfeccionar su medición del efecto de la gravedad, también están estudiando cómo interactúa el antihidrógeno con la radiación electromagnética mediante espectroscopia.
«Si el antihidrógeno fuera de alguna manera diferente del hidrógeno, sería algo revolucionario porque las leyes físicas, tanto en la mecánica cuántica como en la gravedad, dicen que el comportamiento debería ser el mismo», dijo Wurtele. «Sin embargo, uno no lo sabe hasta que hace el experimento».
