¿Qué ocurre cuando soltamos antimateria, cae? Científicos hacen la prueba

Experimentos realizados en el CERN demuestran que la antimateria se comporta igual que la materia. En resumen, no existe la antigravedad para la antimateria.

La antimateria es un tema fascinante de la física. Aunque la antimateria puede producirse en laboratorios, no es común en el universo, lo que sigue desconcertando a los físicos. En un nuevo estudio pionero, los investigadores se plantearon una pregunta interesante. Al fin y al cabo, si se dejara caer antimateria, ¿caería igual que la materia ordinaria o flotaría?

Materia frente a antimateria

Volvamos al principio por un momento. ¿Qué es exactamente la materia y la antimateria? Nuestros cuerpos, la Tierra y casi todo lo que los científicos conocen en el universo están formados en gran parte por materia ordinaria. La materia, a su vez, está formada por protones, neutrones y electrones, como los átomos de oxígeno, carbono, hierro y los demás elementos de la tabla periódica. 

La antimateria es en realidad el “hermano gemelo” de la materia ordinaria, pero tiene algunas propiedades opuestas. Por ejemplo, los antiprotones tienen carga negativa, a diferencia de los protones, que tienen carga positiva. Y los antielectrones, también llamados positrones, tienen carga positiva, mientras que los electrones ordinarios tienen carga negativa.

Pero quizá lo más difícil, según el investigador Joel Fajans, sea lo siguiente: “en cuanto la antimateria choca con la materia, explota”, explica. La masa combinada de materia y antimateria se convierte completamente en energía en una reacción tan poderosa que los científicos la llaman aniquilación. “Si consideramos una cantidad determinada de masa, su conversión en energía mediante este proceso es la forma más compacta de liberación de energía que hemos observado hasta ahora”, afirma Fajans.

Enigmas cósmicos: Experimento de la Torre de Pisa

En un nuevo estudio, los investigadores se preguntaron qué ocurre cuando se arroja antimateria. La idea de que la materia y la antimateria puedan verse afectadas de forma diferente por la gravedad es tentadora porque podría resolver algunos enigmas cósmicos. Posiblemente, podría haber llevado a una situación en la que la materia y la antimateria estuvieran separadas en el universo primitivo. Esta separación podría explicar por qué solo observamos una pequeña cantidad de antimateria en nuestro universo actual. Según la mayoría de las teorías, durante el Big Bang debería haberse creado tanta materia como antimateria. Solo que esta antimateria desapareció en mayor medida, lo que constituye uno de los mayores misterios del universo.

“Te preguntarás por qué no hacemos simplemente el experimento más obvio, que es dejar caer un trozo de antimateria, algo parecido al experimento de la Torre de Pisa”, dice Fajans. “Ya saben, el experimento de Galileo (que es más bien una leyenda, por cierto) en el que supuestamente dejó caer una bola de plomo y otra de madera desde lo alto de la torre y demostró que tocaban el suelo al mismo tiempo. En nuestro caso, soltamos antimateria y vemos si sube o baja”.

El experimento ALPHA: La antimateria cae

Para este experimento, se confinó el antihidrógeno en una cámara de vacío cilíndrica alta con una trampa magnética cuya intensidad podía ajustarse. Los científicos redujeron gradualmente la fuerza de los campos magnéticos tanto en la parte superior como en la inferior, permitiendo que los átomos de antihidrógeno escaparan. Cada vez que un átomo de antihidrógeno salía de la trampa magnética, chocaba con las paredes de la cámara por encima o por debajo de la trampa y se destruía. Los científicos podían observarlo y contarlo.

Impresión artística del experimento ALPHA. Esta imagen muestra átomos de antihidrógeno moviéndose hacia abajo y escapando por la parte inferior. Esto demuestra que la gravedad tira del antihidrógeno hacia abajo. Imagen: Keyi “Onyx” Li/U.S. National Science Foundation

El equipo repitió el experimento más de 12 veces, ajustando varias veces la intensidad del campo magnético. Observaron que cuando los campos magnéticos de la parte superior e inferior estaban equilibrados con precisión, alrededor del 80 % de los átomos de antihidrógeno de la parte inferior escapaban y se destruían, un resultado coherente con cómo se comportaría una nube de hidrógeno ordinario en las mismas condiciones. En resumen, la gravedad hace que el antihidrógeno caiga.

Esto significa que los científicos han observado cómo los átomos individuales de antihidrógeno se mueven hacia abajo. Y eso da una respuesta concluyente a la pregunta principal: la antimateria, por tanto, cae igual que la materia. Así pues, para los que aún esperaban que la antimateria flotara, estos nuevos hallazgos son bastante aleccionadores. “Este experimento es la primera vez que se mide directamente cómo actúa la gravedad sobre la antimateria”, afirma el investigador Jonathan Wurtele. “Representa un paso importante en la ciencia que rodea a la antimateria”.

La teoría general de la relatividad de Einstein

Los resultados no sorprenderán a la mayoría de los físicos, por cierto. La teoría general de la relatividad de Einstein, aunque se desarrolló antes de que se descubriera la antimateria en 1932, considera toda la materia de la misma manera. Esto significa que las fuerzas gravitatorias sobre la antimateria y la materia ordinaria deberían actuar de la misma manera. “El resultado contrario habría tenido consecuencias importantes”, afirma Wurtele. “Habría violado el principio de equivalencia débil de la teoría general de la relatividad de Einstein”.

Con el estudio, los investigadores han desvelado el efecto de la gravedad sobre el escurridizo hermano pequeño de la materia. Y eso solo hace más desconcertante el misterio de por qué hay tan poca antimateria en el universo. Una posible explicación de este misterio era que, durante el Big Bang, la antimateria fue repelida por la materia ordinaria bajo la influencia de la gravedad. Pero los nuevos hallazgos sugieren que esta teoría puede relegarse ahora al reino de la fantasía. 

“Ahora hemos establecido que la antimateria no es repelida por la gravedad, sino atraída”, explica Wurtele. “Sin embargo, esto no significa necesariamente que no haya diferencias en la forma en que la gravedad actúa sobre la antimateria. Solo una medición más precisa podrá confirmarlo con el tiempo”.

Los investigadores tienen previsto seguir investigando la antimateria. Además de perfeccionar sus mediciones sobre los efectos de la gravedad, también están estudiando cómo responde el antihidrógeno a la radiación electromagnética mediante espectroscopia. “Si el antihidrógeno es de algún modo diferente del hidrógeno ordinario, sería un descubrimiento revolucionario”, afirma Wurtele. “Esto se debe a que las leyes de la naturaleza, tanto de la mecánica cuántica como de la gravedad, predicen que su comportamiento debería ser el mismo. Pero solo se puede afirmar con certeza tras probarlo con un experimento”.