CIENCIA. Los científicos descubren cómo la gravedad afecta a la antimateria

. Los científicos descubren cómo la gravedad afecta a la antimateria

 

Inserción del aparato ALPHA-g. Fuente: CERN, CC BY-SA

Una sustancia llamada antimateria está en el corazón de uno de los mayores misterios del universo. Sabemos que cada partícula tiene una compañera de antimateria que es prácticamente idéntica a ella, pero con carga opuesta. Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, se aniquilan mutuamente y desaparecen en un estallido de luz.

01 octubre 2023.- Nuestra comprensión actual de la física predice que deberían haberse creado cantidades iguales de materia y antimateria durante la formación del universo. Pero esto no parece haber sucedido, ya que habría resultado en la aniquilación de todas las partículas de inmediato.

En cambio, hay mucha materia a nuestro alrededor, pero muy poca antimateria, incluso en las profundidades del espacio. Este enigma ha llevado a una gran búsqueda para encontrar fallas en la teoría o explicar de otra manera la antimateria faltante.

Uno de esos enfoques se ha centrado en la gravedad. ¿Quizás la antimateria se comporta de manera diferente bajo la gravedad, siendo arrastrada en la dirección opuesta a la materia? De ser así, podríamos simplemente estar en una parte del universo desde la cual es imposible observar la antimateria.

Un nuevo estudio, publicado en Nature , revela cómo se comporta realmente la antimateria bajo la influencia de la gravedad.

Otros enfoques a la cuestión de por qué observamos más materia que antimateria abarcan numerosos subcampos de la física. Estos van desde la astrofísica , cuyo objetivo es observar y predecir el comportamiento de la antimateria en el cosmos con experimentos , hasta la física de partículas de alta energía, que investiga los procesos y las partículas fundamentales que forman la antimateria y gobiernan su vida.

Si bien se han observado ligeras diferencias en la vida útil de algunas partículas de antimateria en comparación con sus contrapartes de materia, estos resultados aún están lejos de ser una explicación suficiente de la asimetría.

Se espera que las propiedades físicas del antihidrógeno (un átomo compuesto por un electrón de antimateria (el positrón) unido a un protón de antimateria (antiprotón) sean exactamente las mismas que las del hidrógeno. Además de poseer las mismas propiedades químicas que el hidrógeno, como el color y la energía, también esperamos que el antihidrógeno se comporte igual en un campo gravitacional.

El llamado "principio de equivalencia débil" de la teoría de la relatividad general establece que el movimiento de los cuerpos en un campo gravitacional es independiente de su composición. Básicamente, esto dice que la composición de algo no afecta la forma en que la gravedad influye en sus movimientos.

Esta predicción ha sido probada con una precisión extremadamente alta para fuerzas gravitacionales con una variedad de partículas de materia, pero nunca directamente sobre el movimiento de la antimateria.

Incluso en el caso de las partículas de materia, la gravedad se distingue de otras teorías físicas, ya que aún no se ha unificado con las teorías que describen la antimateria. Cualquier diferencia observada con la gravitación de la antimateria puede ayudar a arrojar luz sobre ambas cuestiones.

Hasta la fecha no se han realizado mediciones directas del movimiento gravitacional de la antimateria. Es un estudio bastante desafiante porque la gravedad es la fuerza más débil.

Esto significa que es difícil distinguir los efectos de la gravedad de otras influencias externasSólo con los recientes avances de las técnicas para producir antimateria estable (de larga duración), neutra y fría, las mediciones se han vuelto factibles.

Antimateria atrapada

La investigación tuvo lugar en el experimento ALPHA-g del CERN, el laboratorio de física de partículas más grande del mundo, con sede en Suiza, que fue diseñado para probar los efectos de la gravedad al contener antihidrógeno en una trampa vertical de dos metros de altura. El antihidrógeno se crea en la trampa combinando sus constituyentes de antimateria: la posición y el antiprotón.

Algunos materiales radiactivos producen positrones fácilmente. Los científicos utilizaron sal de mesa radiactiva. Sin embargo, para crear antiprotones fríos tuvieron que utilizar inmensos aceleradores de partículas y una instalación de desaceleración única que opera en el CERN.

Ambos ingredientes están cargados eléctricamente y pueden quedar atrapados y almacenados de forma independiente como antimateria en dispositivos especiales llamados trampas Penning, que consisten en campos eléctricos y magnéticos.

Los antiátomos, sin embargo, no están confinados en las trampas de Penning, por lo que se dispuso un dispositivo adicional llamado "trampa de botella magnética", que confinó a los antiátomos. Esta trampa fue creada por campos magnéticos generados por numerosos imanes superconductores.

Estos se operaron para controlar las fuerzas relativas de los diferentes lados de la botella. En particular, si se debilitase la parte superior e inferior de la botella, los átomos podrían salir de la trampa bajo la influencia de la gravedad.

Se contaron cuántos antiátomos escaparon hacia arriba y hacia abajo al detectar las aniquilaciones de antimateria creadas cuando los antiátomos chocaron con las partículas de materia circundantes en la trampa. Al comparar estos resultados con modelos informáticos detallados de este proceso en átomos de hidrógeno normales, los científicos pudieron inferir el efecto de la gravedad sobre los átomos de antihidrógeno.

Estos resultados son los primeros del experimento ALPHA-g y la primera medición directa del movimiento de la antimateria en un campo gravitacionalMuestran que la gravitación antihidrógeno es la misma que la del hidrógeno: cae hacia abajo en lugar de subir, dentro de los límites de incertidumbre del experimento.

Esto significa que la investigación ha descartado empíricamente una serie de teorías históricas relacionadas con la llamada "antigravedad" , que sugieren que la antimateria gravitaría exactamente en la dirección opuesta a la de la materia normal.

La medición actual es un hito importante en el objetivo del experimento. El trabajo futuro del experimento ALPHA-g mejorará su precisión mediante una mejor caracterización y control de aspectos importantes del experimento, como las trampas y los sistemas de enfriamiento de átomos.

Todavía hay mucho espacio para encontrar nuevos resultados que puedan ayudar a explicar la asimetría materia-antimateria. La física pretende describir la realidad observada y siempre puede haber sorpresas en la forma en que funciona el mundo.

Fuente: Anderson, E.K., Baker, C.J., Bertsche, W. et al. Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter. Nature 621, 716–722 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1

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