Por primera vez, en un experimento de laboratorio único en el CERN, los investigadores observaron átomos individuales de antihidrógeno caer bajo los efectos de la gravedad.
Al confirmar que la antimateria y la materia son atraídas gravitacionalmente, el hallazgo descarta la repulsión gravitacional como la razón por la cual la antimateria está ausente en gran medida del universo observable.
Los investigadores de la colaboración internacional ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) en el CERN (Suiza) publican sus hallazgos en la revista ‘Nature’, un esfuerzo que cuenta con el apoyo de más de una docena de países e instituciones privadas.
«El éxito de la colaboración ALPHA es un testimonio de la importancia del trabajo en equipo entre continentes y comunidades científicas», afirma en un comunicado Vyacheslav ‘Slava’ Lukin, director de programa de la División de Física de la NSF.
«Comprender la naturaleza de la antimateria puede ayudarnos no sólo a entender cómo surgió nuestro universo, sino que puede posibilitar nuevas innovaciones que nunca antes se habían creído posibles, como las tomografías por emisión de positrones (PET) que han salvado muchas vidas al aplicar nuestros conocimientos sobre la antimateria para detectar tumores cancerosos en el cuerpo», explica.
La antimateria es completamente real, aunque misteriosamente escasa. «Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la antimateria debería comportarse exactamente igual que la materia», explica Jonathan Wurtele, físico del plasma de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos) y miembro de la colaboración ALPHA.
«Muchas mediciones indirectas indican que la gravedad interactúa con la antimateria como era de esperar –añade–, pero hasta el resultado de hoy, nadie había realizado una observación directa que pudiera descartar, por ejemplo, que el antihidrógeno se moviera hacia arriba en lugar de hacia abajo en un campo gravitatorio».
Nuestros cuerpos, la Tierra y casi todo lo demás que los científicos conocen del universo están compuestos en su inmensa mayoría por materia formada por protones, neutrones y electrones, como los átomos de oxígeno, carbono, hierro y los demás elementos de la tabla periódica.
La antimateria, por su parte, es el gemelo de la materia regular, aunque con algunas propiedades opuestas. Por ejemplo, los antiprotones tienen carga negativa, mientras que los protones tienen carga positiva. Los antielectrones (también llamados positrones) son positivos y los electrones negativos.
Sin embargo, y quizá lo más difícil para los experimentadores, «en cuanto la antimateria entra en contacto con la materia, explota», afirma Joel Fajans, miembro de la colaboración ALPHA y físico del plasma de la Universidad de California en Berkeley.
La masa combinada de materia y antimateria se transforma por completo en energía en una reacción tan potente que los científicos la denominan aniquilación. «Para una masa dada, estas aniquilaciones son la forma más densa de liberación de energía que conocemos», añade Fajans.
Pero la cantidad de antimateria utilizada en el experimento ALPHA es tan pequeña que la energía creada por las aniquilaciones antimateria/materia sólo es perceptible para los detectores sensibles.
«Aun así, tenemos que manipular la antimateria con mucho cuidado o la perderemos», reconoce Fajans.
«En términos generales, estamos fabricando antimateria y realizando un experimento similar al de la Torre inclinada de Pisa», explica Wurtele, en referencia al experimento de Galileo del siglo XVI, quizá apócrifo, que demostró la aceleración gravitatoria idéntica de dos objetos lanzados simultáneamente de volumen similar pero masa diferente. «Dejamos caer la antimateria y vemos si sube o baja», apunta.
Para el experimento ALPHA, el antihidrógeno estaba contenido dentro de una cámara de vacío cilíndrica alta con una trampa magnética variable, llamada ALPHA-g. Los científicos redujeron la intensidad de los campos magnéticos superior e inferior de la trampa hasta que los átomos de antihidrógeno pudieron escapar y se hizo evidente la influencia relativamente débil de la gravedad.
A medida que cada átomo de antihidrógeno escapaba de la trampa magnética, tocaba las paredes de la cámara por encima o por debajo de la trampa y se aniquilaba, lo que los científicos podían detectar y contar.
Los investigadores repitieron el experimento más de una docena de veces, variando la intensidad del campo magnético en la parte superior e inferior de la trampa para descartar posibles errores.
Observaron que cuando los campos magnéticos debilitados se equilibraban con precisión en la parte superior e inferior, alrededor del 80% de los átomos de antihidrógeno se aniquilaban debajo de la trampa, un resultado coherente con cómo se comportaría una nube de hidrógeno normal en las mismas condiciones. Así pues, la gravedad estaba provocando la caída del antihidrógeno.
A pesar de algunas fuentes modestas de antimateria –como los positrones emitidos por la desintegración del potasio, incluso dentro de un plátano–, los científicos no ven mucha de ella en el universo. Sin embargo, las leyes de la física predicen que la antimateria debería existir en cantidades aproximadamente iguales a las de la materia regular. Los científicos llaman a este enigma el problema de la bariogénesis.
Una posible explicación es que la antimateria fuera repelida gravitatoriamente por la materia regular durante el Big Bang, aunque los nuevos hallazgos sugieren que esa teoría ya no parece plausible.
«Hemos descartado que la antimateria fuera repelida por la fuerza gravitatoria en lugar de atraída –subraya Wurtele–. Eso no significa que no exista una diferencia en la fuerza gravitatoria sobre la antimateria, sólo una medición más precisa lo dirá».
Los investigadores de la colaboración ALPHA seguirán investigando la naturaleza del antihidrógeno. Además de perfeccionar su medición del efecto de la gravedad, también están estudiando cómo interactúa el antihidrógeno con la radiación electromagnética mediante espectroscopia.
«Si el antihidrógeno fuera de algún modo diferente del hidrógeno, sería algo revolucionario porque las leyes físicas, tanto de la mecánica cuántica como de la gravedad, dicen que el comportamiento debería ser el mismo –apunta Wurtele–. Sin embargo, uno no lo sabe hasta que hace el experimento».