Un experimento histórico en el CERN puede ayudar a explicar por qué la antimateria parece haber perdido fuerza en el universo primitivo. Si dejas caer antimateria, ¿cae o se eleva? En un experimento de laboratorio único, los investigadores han observado la trayectoria descendente de un único átomo de antihidrógeno, lo que proporciona una respuesta clara:La antimateria cae hacia abajo.
Esta imagen muestra átomos de antihidrógeno cayendo y aniquilándose dentro de una trampa magnética que forma parte del experimento ALPHA-g del CERN, diseñado para medir el efecto de la gravedad sobre la antimateria. Fuente de la imagen: Fundación Nacional de Ciencias
Si bien confirma la atracción gravitacional de la antimateria y la materia regular, este descubrimiento también descarta la repulsión gravitacional como la razón por la cual la antimateria está en gran medida ausente en el universo observable.
Investigadores de la colaboración del Centro Internacional de Física Láser Antihidrógeno (ALPHA) del CERN en Suiza publicaron sus hallazgos hoy en la revista Nature.
"El éxito de la colaboración ALPHA demuestra la importancia del trabajo en equipo entre continentes y comunidades científicas", afirmó Vyacheslav "Slava" Lukin, director del programa de la División de Física de la Fundación Nacional de Ciencias. "Comprender las propiedades de la antimateria no sólo nos ayuda a comprender cómo se formó el universo, sino que también permite innovaciones sin precedentes, como la tomografía por emisión de positrones (PET), que salva muchas vidas al aplicar nuestro conocimiento sobre la antimateria para detectar tumores cancerosos en el cuerpo".
La colaboración del Antihydrogen Laser Physics Facility (ALPHA) es un grupo internacional del CERN que utiliza átomos de antihidrógeno para comprender las simetrías fundamentales entre la materia y la antimateria. Los investigadores han anunciado resultados innovadores de un experimento destinado a comprender los efectos de la gravedad sobre la antimateria. Fuente de la imagen: Fundación Nacional de Ciencias
El esquivo gemelo mutable de la materia
Con la excepción de los motores warp alimentados con antimateria y los torpedos de fotones imaginados en Star Trek, la antimateria es completamente real pero misteriosamente escasa.
"La teoría general de la relatividad de Einstein establece que la antimateria debería comportarse exactamente como la materia", dijo Jonathan Wurtele, físico del plasma de la Universidad de California, Berkeley, y miembro de la colaboración ALPHA. "Muchas mediciones indirectas muestran que la gravedad interactúa con la antimateria como se esperaba". "Pero hasta los resultados de hoy, nadie había hecho realmente observaciones directas para descartar la posibilidad de que el antihidrógeno se estuviera moviendo hacia arriba en el campo gravitacional en lugar de hacia abajo".
Nuestros cuerpos, la Tierra y casi todo lo demás en el universo que conocen los científicos está compuesto abrumadoramente de materia regular compuesta de protones, neutrones y electrones, como átomos de oxígeno, carbono, hierro y otros elementos de la tabla periódica.
La antimateria, por otra parte, es la hermana gemela de la materia ordinaria, aunque con algunas propiedades opuestas. Por ejemplo, los antiprotones tienen carga negativa, mientras que los protones tienen carga positiva. Los antielectrones (también llamados positrones) tienen carga positiva, mientras que los electrones tienen carga negativa.
Kevin M. Jones es director de proyectos en la División de Física de la Fundación Nacional de Ciencias y profesor emérito de Física William Edward McElfresh en Williams College. Presentó brevemente qué es la antimateria y el valor general de estudiar la antimateria. Fuente: Fundación Nacional de Ciencias
Sin embargo, quizás lo más desafiante para los experimentadores es que "la antimateria explota tan pronto como entra en contacto con la materia", dijo Joel Fajans, físico de plasma de la Universidad de California, Berkeley, y miembro de la colaboración ALPHA.
La masa combinada de materia y antimateria se convierte completamente en energía en una reacción tan intensa que los científicos la llaman aniquilación.
Para una masa determinada, esta aniquilación es la forma más intensiva de liberación de energía que conocemos. Sin embargo, la cantidad de antimateria utilizada en el experimento ALPHA es tan pequeña que sólo los detectores sensibles pueden detectar la energía generada por la aniquilación de antimateria/materia. Así que tenemos que manipular la antimateria con mucho cuidado o la perderemos.
Imagen conceptual de átomos de antihidrógeno en la trampa magnética del dispositivo ALPHA-g. Cuando la intensidad del campo magnético en la parte superior e inferior de la trampa se debilita, los átomos de antihidrógeno escapan, entran en contacto con las paredes de la trampa y se aniquilan. La mayor parte de la aniquilación ocurre debajo de la cámara, lo que sugiere que la gravedad está empujando los átomos de antihidrógeno hacia abajo. Las líneas del campo magnético giratorio en la animación representan los efectos invisibles de los campos magnéticos sobre los átomos de antihidrógeno. En experimentos reales, el campo magnético no gira. Fuente: Keyi "Onyx" Li/Fundación Nacional de Ciencias
Lanzar "bombas antimateria""
"En términos generales, estamos produciendo antimateria y estamos haciendo un experimento tipo Torre Inclinada de Pisa", dijo Votel. Se refería a un antecesor intelectual más simple de sus experimentos: el experimento de Galileo del siglo XVI (quizás alegóricamente) que demostró que dos objetos de tamaño similar pero masas diferentes caídos al mismo tiempo tenían la misma aceleración gravitacional. "Ponemos la antimateria en movimiento y vemos si sube o baja".
En el experimento ALPHA, el gas antihidrógeno está contenido en una cámara de vacío cilíndrica alta con una trampa magnética variable llamada ALPHA-g. Los científicos redujeron la fuerza de los campos magnéticos en la parte superior e inferior de la trampa hasta que los átomos de antihidrógeno pudieron escapar y los efectos gravitacionales relativamente débiles se hicieron evidentes.
A medida que cada átomo de antihidrógeno escapa de la trampa magnética, golpea la pared de la cavidad por encima o por debajo de la trampa y es aniquilado, lo que permite a los científicos detectarlo y contarlo.
Los investigadores repitieron el experimento una docena de veces, variando la intensidad del campo magnético en la parte superior e inferior de la trampa para eliminar posibles errores. Observaron que cuando el campo magnético debilitado se equilibraba con precisión en la parte superior e inferior, alrededor del 80% de los átomos de antihidrógeno eran aniquilados debajo de la trampa, un resultado consistente con cómo se comportan las nubes de hidrógeno ordinarias en las mismas condiciones.
Por tanto, la gravedad hace que los átomos de antihidrógeno caigan hacia abajo.
El misterio materia/antimateria
Aunque no hay muchas fuentes de antimateria (como los positrones emitidos cuando el potasio se descompone, e incluso la antimateria en los plátanos), los científicos no ven mucha antimateria en el universo. Sin embargo, las leyes de la física predicen que la antimateria debería existir aproximadamente en la misma cantidad que la materia ordinaria. Los científicos llaman a este enigma el problema del renacimiento.
Una posible explicación es que la antimateria fue rechazada gravitacionalmente por la materia ordinaria durante el Big Bang, pero los nuevos hallazgos sugieren que esta teoría ya no parece creíble.
"Hemos descartado la posibilidad de que la antimateria sea rechazada gravitacionalmente en lugar de atraída", dijo Votel. "Esto no significa que no haya diferencia en la atracción gravitacional experimentada por la antimateria", añadió. Sólo mediciones más precisas pueden demostrarlo.
Los investigadores de la colaboración ALPHA seguirán explorando la naturaleza del antihidrógeno. Además de mejorar las mediciones de los efectos gravitacionales, están utilizando la espectroscopia para estudiar cómo interactúa el antihidrógeno con la radiación electromagnética.
Sería revolucionario si el antihidrógeno fuera diferente del hidrógeno de alguna manera, porque las leyes físicas de la mecánica cuántica y la gravedad dicen que el antihidrógeno debería comportarse de la misma manera. Sin embargo, sólo lo sabrás si haces el experimento.