Durante mucho tiempo se ha especulado sobre si los antiátomos son repelidos en lugar de atraídos por la gravedad. Después de muchos años, un experimento de otoño en el CERN finalmente aporta claridad.
Se está poniendo en marcha el experimento alfa-g en el Cern. Recuerda un poco a las pruebas de caída que, según se dice, llevó a cabo Galileo en la Torre Inclinada de Pisa.
«Todo lo que sube tiene que bajar.» Generalmente se entiende que este dicho significa que la vida no siempre sube. A todo ascenso le sigue inevitablemente una caída en algún momento. Sin embargo, la frase también puede entenderse como una descripción adecuada de la gravedad. Si lanzas un objeto hacia arriba en el campo de gravedad de la Tierra, inevitablemente volverá a bajar. ¿O tal vez no?
Hasta la fecha no existe ninguna prueba experimental sobre si la gravedad también se aplica a la antimateria, es decir, a los átomos que son una imagen especular de los átomos que conocemos. Algunos investigadores especulan que los antiátomos no son atraídos hacia la Tierra, sino repelidos. Esto sería una violación de la física conocida. Pero podría ayudar a explicar por qué existe una asimetría entre materia y antimateria en el universo. Un experimento en el CERN de Ginebra está aportando ahora más claridad. Además, los antiátomos sólo conocen un camino: hacia abajo.
Todo empezó con Galileo Galilei
Los experimentos de otoño tienen una larga tradición. Según la leyenda, el científico natural Galileo Galilei dejó caer varios objetos desde la torre inclinada de Pisa en el siglo XVI. Descubrió que todos los cuerpos caen a la misma velocidad, independientemente de su composición. Este hallazgo ahora se conoce como principio de equivalencia débil. Albert Einstein lo convirtió en la piedra angular de su teoría general de la relatividad. Esta teoría de 1915 proporciona la mejor descripción de la gravedad hasta la fecha.
Cuando Einstein propuso la teoría general de la relatividad, no se sabía nada sobre la antimateria. No fue hasta 1928 que el físico británico Paul Dirac postuló que por cada partícula debe haber una antipartícula con carga eléctrica opuesta. Su predicción fue confirmada en 1932 con el descubrimiento del positrón, la contraparte positiva del electrón con carga negativa.
Desde entonces, ha surgido repetidamente la pregunta de si la antimateria y la materia se comportan de manera opuesta en el campo gravitatorio de la Tierra. Aunque eso no es muy plausible. Sin embargo, esto no ha impedido que los físicos estudien las consecuencias cosmológicas de la antigravedad. La repulsión entre materia y antimateria podría explicar por qué vemos casi exclusivamente materia en nuestra parte del universo.
En realidad, debería ser fácil comprobar si un cuerpo cae o asciende en el campo gravitatorio de la Tierra. De hecho, ese no es el caso. En comparación con otras fuerzas de la naturaleza, la gravedad es extremadamente débil. Si se dejan caer antipartículas cargadas eléctricamente, como el positrón, incluso los campos eléctricos parásitos más pequeños son suficientes para enmascarar la influencia de la gravedad.
Por ello, el grupo de trabajo Alpha del CERN lleva a cabo sus experimentos de caída con átomos de antihidrógeno eléctricamente neutros. Estos se crean dirigiendo un haz de antiprotones y un haz de antielectrones hacia una trampa magnética, donde los dos tipos de partículas se combinan para formar átomos de antihidrógeno.
Una vez que se han acumulado suficientes antiátomos en la trampa, los campos magnéticos se desconectan y los antiátomos pueden moverse libremente bajo la influencia de la gravedad. Sin embargo, no llegan muy lejos. Tan pronto como un antiátomo entra en contacto con las paredes del aparato de medición, se aniquila. La energía liberada se puede detectar mediante detectores especiales. Esto permite determinar si los antiátomos han subido o bajado.
Eso suena relativamente simple. Pero el experimento tiene sus inconvenientes. Una primera prueba de casos realizada por el grupo de trabajo Alpha en 2013 no arrojó resultados claros. La razón de esto era que los antiátomos en la trampa magnética se movían violentamente de un lado a otro. Cuando se abre la trampa, se dispersan en todas direcciones y son destruidos tanto por encima como por debajo de la trampa. Hace diez años no había diferencias estadísticamente significativas.
Muchas pequeñas mejoras suponen un gran avance
Desde entonces, el grupo de trabajo Alpha ha mejorado su trampa. En lugar de una orientación horizontal de la trampa, se eligió una vertical. Además, los antiátomos se enfriaron para que se movieran menos rápidamente. Y los campos magnéticos circundantes ahora se pueden controlar mejor. Esto es importante porque pequeñas fluctuaciones del campo pueden anular el efecto de la gravedad.
Animación del experimento Alpha-g. Una vez abierta la trampa, la mayoría de los átomos caen hacia abajo.
El grupo de Jeffrey Hangst de la Universidad de Aarhus en Dinamarca ha repetido muchas veces el experimento de caída en el Cern. Los antiátomos todavía golpean las paredes tanto por encima como por debajo de la trampa. Esta vez, sin embargo, se pudo observar una tendencia clara: alrededor del 80 por ciento de los átomos fueron destruidos debajo de la trampa. Por tanto, los antiátomos se sienten atraídos por la Tierra. La antigravedad se puede descartar casi con certeza. Se trata de un rechazo de los modelos cosmológicos que se basan en una repulsión entre materia y antimateria.
Sin embargo, aún no se ha dicho la última palabra. Porque el experimento aún no es lo suficientemente preciso como para medir con precisión la fuerza de la atracción. Por tanto, aún no está claro si los antiátomos caen tan rápidamente como los átomos ordinarios. En principio, podría ser que los antiátomos sientan una (quinta) fuerza previamente desconocida que anula parcialmente el efecto de la gravedad.
El experimento alfa-g no es el único experimento con átomos de antihidrógeno en Cernus. Pero está años por delante de otros experimentos, afirma Paolo Crivelli de ETH Zurich, que pertenece al grupo de trabajo GBAR competidor. A finales de 2022, su grupo de trabajo logró por primera vez detectar átomos de antihidrógeno en la trampa. Pero los antiátomos siguen siendo demasiado rápidos. En el futuro queremos crearlos de tal manera que estén prácticamente en reposo en la trampa. Crivelli espera poder medir la fuerza de la atracción con un error de medición de menos de uno por mil.
Un experimento de caso con átomos exóticos
Su colega Anna Soter de ETH Zurich también está preparando un experimento de caso en el Instituto Paul Scherrer de Villigen. Sin embargo, no quiere soltar átomos de antihidrógeno, sino átomos de muonio. En estos átomos exóticos, un electrón orbita alrededor de un antimuón. Esta partícula pertenece a la misma familia de partículas que el electrón. Lo especial de los átomos de muonio es que su masa sólo depende de los parámetros del modelo estándar de la física de partículas, afirma Soter.
Soter también quiere poner a prueba el principio de equivalencia débil. En condiciones normales, esto se comprobó con una precisión de 15 dígitos. A priori, sin embargo, no hay razón para que el principio se aplique también a la antimateria y a formas exóticas de materia. Hasta el día de hoy nadie sabe cómo combinar la teoría de la gravedad de Einstein con el modelo estándar de la física de partículas. Por tanto, cualquier experimento que examine la conexión entre estas dos teorías es bienvenido.
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