Si dejaras caer una pila de antimateria, ¿caería hacia arriba o hacia abajo?

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que la antimateria caería en el campo gravitacional de la Tierra, y esto es lo que la mayoría de los físicos esperarían que fuera el resultado. Pero a pesar de que ésta es nuestra mejor descripción de la gravedad, sabemos que existen lagunas en nuestra comprensión. De hecho, la teoría de Einstein predice su propio fracaso en extremos como las singularidades del espacio-tiempo dentro de los agujeros negros.

También se especula sobre si podría ser cierto lo contrario. No podemos explicar la expansión y la geometría del universo con lo que sabemos sobre la gravedad a menos que haya enormes cantidades de masa que no podamos ver. Explicamos esto a través de los conceptos de energía oscura y materia oscura que interactúan con la gravedad y dan forma al brillante universo. Estas fuerzas son misteriosas y todavía hay muchas cosas que no hemos descubierto.

Una posibilidad intrigante es que la antimateria pueda comportarse de manera diferente a la materia en lo que respecta a la gravedad, y que la materia y la antimateria podrían incluso repelerse entre sí. Eso podría ayudar a explicar la forma y expansión del universo sin la existencia de energía oscura.

Pero nada se sabe realmente hasta que se observa. Y es realmente difícil observar la antimateria porque en el instante en que choca con la materia normal, ambas quedan aniquiladas.

La colaboración ALPHA es un equipo internacional creado para examinar el comportamiento y las propiedades de la antimateria. Los resultados de su primera prueba de antimateria en caída libre se publicaron esta semana en Nature.

El estudio fue parte de un esfuerzo internacional de la colaboración ALPHA, que incluyó autores de varias instituciones canadienses:TRIUMF, la Universidad de Columbia Británica, la Universidad de York, la Universidad de Calgary, la Universidad Simon Fraser y el Instituto de Tecnología de Columbia Británica.

Para su estudio, necesitaban producir antihidrógeno para observar, ya que este es el átomo neutro más pequeño que se puede producir. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas conocidas que actúan sobre las masas, por lo que cualquier carga eléctrica haría imposible observar los efectos de la gravedad.

Como lo habían hecho anteriormente, produjeron antiprotones en un acelerador de partículas y antielectrones (positrones) mediante desintegración radiactiva. Primero se mantienen separados y sus cargas los hacen relativamente fáciles de atrapar en un vacío casi perfecto, manteniéndolos alejados de la materia mediante campos eléctricos. Cuando están listos, los investigadores de ALPHA los juntan para crear átomos de antihidrógeno de baja energía.

Una vez combinado, el antihidrógeno resultante tiene carga neutra y los campos eléctricos ya no pueden retenerlos. Aunque la mayor parte del antihidrógeno golpeará las paredes de la trampa y será destruida, los fuertes electroimanes aprovechan las débiles propiedades magnéticas del antihidrógeno para retener el resto. Para este estudio, el equipo construyó una trampa vertical de varios metros de altura para contener el antihidrógeno.

Dentro de la trampa, el equipo tomó su pila de átomos de antihidrógeno y los liberó lentamente, reduciendo gradualmente la corriente en sus electroimanes de forma sincronizada y simétrica para que el antihidrógeno pudiera escapar libremente desde arriba o desde abajo. Luego se podrían medir las posiciones de los eventos de aniquilación posteriores para ver si cayeron hacia arriba o hacia abajo.

El antihidrógeno observado todavía tiene suficiente energía como para esperar que algo salga volando en cada dirección. Incluso se esperaría que las pilas de hidrógeno normal tuvieran una distribución bajo la gravedad, con alrededor del 20 por ciento de los átomos saliendo por la parte superior y el resto cayendo por la parte inferior. Por eso, los resultados se compararon con simulaciones de hidrógeno en las mismas condiciones.

Pero también sabemos que los campos magnéticos, que el equipo también utilizó como parte del diseño de la trampa de antihidrógeno, afectan su movimiento. Para contrarrestar los efectos de cualquier interferencia magnética perdida, repitieron la misma prueba con un empuje magnético de diferentes intensidades en cualquier dirección.

En todas las condiciones probadas, el antihidrógeno se comportó en un patrón similar a los resultados simulados para el hidrógeno normal:tendiendo a caer bajo la influencia de la gravedad como la materia normal.

La fuerza observada se calculó en un 75 por ciento de lo que experimenta la materia, más o menos el error del 29 por ciento que podría provenir de fuentes estadísticas, sistemáticas o de simulación.

Aunque la coincidencia con los valores simulados no fue perfecta, la evidencia es consistente con una fuerza gravitacional atractiva y descarta la posibilidad de una fuerza repulsiva entre materia y antimateria.

Los próximos pasos incluyen la aplicación de técnicas como el enfriamiento con láser para reducir aún más la velocidad del antihidrógeno y tomar mediciones aún más precisas en estudios futuros. Esto permitirá al equipo medir mejor la tasa de aceleración exacta y descubrir si la atracción de la gravedad es la misma para la antimateria que para la materia.

Este es un momento apasionante en la física de partículas que nos da una idea de la naturaleza del universo.