La antimateria cae igual que la materia ordinaria

El famoso e histórico trabajo de Isaac Newton sobre la gravedad se inspiró, al parecer, en la observación de una manzana que caía al suelo desde un árbol, ¿pero si existiese una antimanzana hecha de antimateria caería de la misma manera? Parece que sí, según un experimento realizado en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra.

Uno de los componentes de la relatividad general de Einstein (la teoría moderna de la gravedad), el llamado principio de equivalencia débil, afirma que todos los objetos, independientemente de su masa o composición o que sea materia o antimateria, deberían caer de la misma manera en respuesta a la gravedad.

Pero ¿lo hacen, o existen otras fuerzas que afectan a su caída libre?

En un artículo publicado esta semana en Nature, la colaboración científica ALPHA de la fábrica de antimateria del CERN demuestra que, dentro de la precisión actual del experimento, los átomos de antihidrógeno –un positrón o antielectrón orbitando alrededor de un antiprotón– caen a la Tierra del mismo modo que sus equivalentes de materia.

"En física, no sabes realmente algo hasta que lo observas", afirma Jeffrey Hangst, portavoz de ALPHA, "y este es el primer experimento directo en el que se observa realmente un efecto gravitatorio sobre el movimiento de la antimateria. Es un hito en el estudio de la antimateria, que aún nos desconcierta debido a su aparente ausencia en el universo".

La gravedad es la fuerza de atracción entre dos objetos cualesquiera con masa. Es, con mucho, la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (las otras tres son la nuclear débil, la nuclear fuerte y la electromagnética). Por su parte, los átomos de antihidrógeno son partículas de antimateria eléctricamente neutras y estables. Estas propiedades las convierten en sistemas ideales para estudiar el comportamiento gravitatorio de la antimateria.

Fábrica de antimateria

La colaboración ALPHA crea átomos de antihidrógeno tomando antiprotones cargados negativamente, producidos y ralentizados en las máquinas AD (Antiproton Decelerator) y ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) de la fábrica de antimateria, y uniéndolos con positrones cargados positivamente acumulados a partir de una fuente de sodio-22. A continuación, confina los átomos neutros –pero ligeramente magnéticos– de antimateria en una trampa magnética, que impide que entren en contacto con la materia y se aniquilen.

El equipo ya había realizado estudios espectroscópicos en el dispositivo ALPHA-2, proyectando luz láser o microondas sobre los átomos de antihidrógeno para medir su estructura interna. Pero posteriormente construyó una máquina vertical llamada ALPHA-g, que recibió sus primeros antiprotones en 2018 y se puso en marcha en 2021.

La 'g' denota la aceleración local de la gravedad, que, para la materia, es de unos 9,81 m/s2. Este aparato permite medir las posiciones verticales en las que los átomos de antihidrógeno se aniquilan con la materia una vez que se apaga el campo magnético de la trampa, permitiendo que se escapen.

Esto es exactamente lo que hicieron los autores en su nueva investigación: atraparon grupos de unos 100 átomos de antihidrógeno, de uno en uno, y los liberaron lentamente durante 20 segundos reduciendo gradualmente la corriente en los imanes superior e inferior de la trampa.

Experimento coincide con predicciones

Las simulaciones por ordenador de la configuración ALPHA-g indicaban que, para la materia, esta operación daría lugar a que aproximadamente el 20% de los átomos saldrían por la parte superior de la trampa y el 80% por la parte inferior, una diferencia causada por la fuerza descendente de la gravedad.

De forma experimental, haciendo una media de los resultados de siete ensayos de liberación, el equipo de ALPHA comprobó que las fracciones de antiátomos que salían por arriba y por debajo de la máquina coincidían con los resultados de las simulaciones.

El estudio completo consistió en repetir el experimento varias veces para distintos valores de un campo magnético adicional sesgado, que podría potenciar o contrarrestar la fuerza de la gravedad. Así, los investigadores descubrieron que, dentro de la precisión del experimento actual (en torno al 20% de g), la aceleración de un átomo de antihidrógeno es coherente con la conocida fuerza gravitatoria de atracción entre la materia y la Tierra.

Confirmarlo con más precisión

"Este experimento allana el camino para realizar estudios de precisión sobre la magnitud de la aceleración gravitatoria entre los antiátomos y la Tierra para poner a prueba el principio de equivalencia débil", concluyen en los autores en su estudio.

Uno de ellos, Hangst, afirma: "Nos ha llevado 30 años aprender a fabricar este antiátomo, sujetarlo y controlarlo lo suficientemente bien como para poder dejarlo caer de forma que fuera sensible a la fuerza de la gravedad. El siguiente paso es medir la aceleración con la mayor precisión posible".

"Queremos comprobar si la materia y la antimateria caen efectivamente de la misma manera –subraya–. El enfriamiento por láser de átomos de antihidrógeno, que demostramos por primera vez en ALPHA-2 e implementaremos en ALPHA-g cuando volvamos a él en 2024, se espera que tenga un impacto significativo en la precisión".

Mientras tanto, la fábrica de antimateria del CERN sigue produciendo y estudiando la antimateria. Otros dos experimentos de esta instalación, AEgIS y GBAR, comparten con ALPHA el objetivo de medir con gran precisión la aceleración gravitatoria de la antimateria atómica.

Además, en esta fábrica se encuentra el experimento BASE. Su objetivo es comparar con gran precisión las propiedades del protón con las de su gemelo de antimateria, y recientemente ha comparado el comportamiento gravitatorio de estas dos partículas.

Referencia:

Jeffrey Hangst et al. "Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter". Nature, 2023.

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