Dos cuerpos con masa se atraen. De esto se trata la gravedad, la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. ¿Y si uno de los objetos estuviera compuesto por antimateria en lugar de materia? No cambia nada. La fuerza de la gravedad ejerce su influencia de todos modos. Los resultados de un experimento internacional realizado en la sede de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), en los alrededores de la ciudad de Ginebra (Suiza), que contó con la participación de científicos brasileños, han confirmado este principio.
Al ser liberados del artilugio magnético en el que se encontraban confinados en el interior de una trampa vertical de medio metro de altura, los átomos de antihidrógeno entraron en caída libre hacia la Tierra como igualmente ocurre con los átomos de hidrógeno. La antimateria no “cae arriba” por el efecto de una supuesta antigravedad, como se llegó a especular en el pasado.
“En la física, solo se llega a conocer algo a través de su observación”, dijo en un comunicado a la prensa el físico estadounidense Jeffrey Hangst, de la Universidad de Aarhus, en Dinamarca, vocero de la colaboración internacional Antihydrogen Laser Physics Apparatus (Alpha), uno de los grandes experimentos del Cern, quien realizó el trabajo con los átomos de antihidrógeno. “Se trata del primer experimento que observa directamente un efecto gravitatorio en el movimiento de la antimateria”.
Los resultados del estudio fueron publicados el 27 de septiembre en un artículo en la revista científica Nature. “Es muy difícil aislar y medir la acción de la gravedad sobre estas partículas”, comenta el físico Cláudio Lenz, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), uno de los autores del experimento y coordinador de la participación brasileña en Alpha. “Cualquier campo magnético no controlado tiene más efecto sobre ellas que la gravedad y puede interferir en la medición”. Otros tres brasileños figuran en la lista de los 70 investigadores que suscriben el paper. La participación del país en la colaboración es financiada por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Río de Janeiro (Faperj).
El concepto original del experimento, propuesto por Lenz en 1997, es relativamente sencillo de entender. Sin embargo, llevarlo a cabo es más complejo. Los investigadores del consorcio Alpha crearon y almacenaron átomos de antihidrógeno confinados en un entorno estrictamente controlado con el propósito de determinar la influencia aislada de la gravedad sobre la antimateria.
En el interior de una trampa magnética, una estructura cilíndrica dispuesta en posición vertical, se mantuvo a unos mil átomos de antihidrógeno bajo condiciones de vacío extremo a temperaturas extremadamente bajas, del orden de 4 kélvines (-269 ºC). Prácticamente congelados, los antiátomos presentaban poca energía cinética, pero no despreciable. Para asegurarse de que las partículas de antimateria no escaparan antes del momento deseado, se aplicaron sobre los antiátomos dos campos magnéticos idénticos, uno en la parte superior de la trampa y otro en la inferior, que actuaron como barreras.
“A continuación, fuimos reduciendo lentamente estos campos magnéticos y dejamos escapar los átomos de hidrógeno”, explica Lenz. Los que subían eran registrados por un detector en la parte superior de la trampa. Los que bajaban eran captados por otro detector en la parte inferior del recipiente cilíndrico. Este procedimiento se repitió varias veces, con muestras de aproximadamente unos mil antiátomos.
Maximilien Brice / Alpha colaboraçãoRegistro del proceso de aniquilación de los átomos de antihidrógeno dispersos en la superficie interna de la trampa magnéticaMaximilien Brice / Alpha colaboração
Al finalizar toda la ronda de pruebas, el experimento concluyó que alrededor de en un 80 % los átomos de antihidrógeno descendieron, es decir, entraron en caída libre. Si se les sometiera a la misma condición, los átomos de hidrógeno mostrarían un comportamiento idéntico en una proporción similar, debido a la acción de la gravedad.
Cabe esperar que una parte de los átomos y antiátomos asciendan en lugar de descender, debido a la presencia de la energía cinética. El margen de error de los datos finales del estudio es relativamente alto, de hasta un 29 %. Empero, según los investigadores, los resultados indican que la acción de la gravedad sobre la antimateria es compatible con la ejercida sobre la materia y descartan la posibilidad de existencia de la antigravedad.
La influencia de la gravedad sobre cualquier tipo de materia fue prevista por Albert Einstein (1879-1955). “El resultado de este nuevo experimento es importante porque confirma el principio de equivalencia, uno de los pilares de la teoría de la relatividad general, según el cual todas las formas de energía, sean materia o antimateria, acusan el efecto de la gravedad por igual”, explica George Matsas, del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp), quien no participó del trabajo realizado en el LHC.
Aunque el concepto mismo de lo que se conocería como antimateria empezó a surgir tras la formulación de la teoría de la relatividad general, con los trabajos del físico teórico inglés Paul Dirac (1902-1984) a partir de 1928, la postura predominante siempre ha considerado que el principio de equivalencia, una de las leyes fundamentales de la física, era aplicable a las antipartículas. Había indicios de ello, pero hacía falta un dato más preciso como el que ahora ha aportado la colaboración internacional.
En el experimento del Cern se trabajó con el antihidrógeno porque este es el tipo de átomo de antimateria más simple que existe y el más fácil de producir, almacenar y manipular en laboratorio. Según el modelo estándar de la física, cada partícula posee su correspondiente antipartícula de igual masa y energía, pero con carga eléctrica invertida. Sucede lo mismo con los átomos y antiátomos de un elemento.
Al igual que el átomo de hidrógeno, compuesto por un electrón (con carga negativa) y un protón (positivo), el del antihidrógeno está compuesto por un positrón (el homólogo del electrón, pero con carga positiva) y un antiprotón (el equivalente negativo del protón). El Big Bang, la explosión primordial que habría dado origen al universo hace 13.800 millones de años, habría producido cantidades iguales de materia y antimateria, que se generan simultáneamente. Cuando un átomo se encuentra con su antiátomo, se aniquilan mutuamente. Dejan de existir.
Sin embargo, esto no ha sido exactamente lo que ha ocurrido a lo largo de la evolución del universo. Por motivos desconocidos, tal vez se hayan creado más partículas que antipartículas y este excedente de materia no se aniquiló. Es lo que los cosmólogos denominan asimetría materia-antimateria.
“Uno de los mayores retos que afrontamos en el experimento fue evitar la aniquilación del antihidrógeno dentro de la trampa magnética”, comenta el físico Rodrigo Sacramento, de la UFRJ, otro de los autores del estudio producido por la colaboración Alpha. “No podíamos dejar que los antiátomos tomaran contacto con los átomos de hidrógeno porque en ese caso serían eliminados. Es por esta razón que necesitábamos realizar la experiencia en un ambiente con un vacío meticulosamente controlado”. La colaboración Alpha espera poder mejorar sus resultados en nuevas versiones del experimento que permitan reducir sus márgenes de error.
Artículo científico
ANDERSON, E.K. et al. Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter. Nature. 27 sep. 2023.
