Para quienes aún mantienen la esperanza de que la antimateria levite en lugar de caer en un campo gravitatorio, como la materia normal, los resultados de un nuevo experimento son una dosis de fría realidad.

Los físicos que estudian el antihidrógeno -un antiprotón emparejado con un antielectrón, o positrón- han demostrado de forma concluyente que la gravedad tira de él hacia abajo y no lo empuja hacia arriba. Al menos para la antimateria, la antigravedad no existe.

Los resultados experimentales se publican en la revista Nature. La aceleración gravitatoria de la antimateria obtenida por el equipo se aproxima a la de la materia normal en la Tierra: 1 g, o 9,8 metros por segundo y segundo (32 pies por segundo y segundo). Para ser más precisos, se encontró que se encuentra dentro de un 25% (una desviación estándar) de la gravedad normal.

Sin duda acelera hacia abajo, y está dentro de aproximadamente una desviación estándar de acelerar a la velocidad normal, dijo Joel Fajans, un profesor de física de la UC Berkeley que, con su colega Jonathan Wurtele, un teórico, propuso por primera vez el experimento hace más de una década. La conclusión es que no hay almuerzo gratis, y no vamos a ser capaces de levitar usando antimateria.

Átomos de antihidrógeno (azul) caen dentro de una trampa magnética y se aniquilan en un experimento para medir los efectos de la gravedad sobre la antimateria | foto U.S. National Science Foundation

El resultado no sorprenderá a la mayoría de los físicos. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein, aunque fue concebida antes de que se descubriera la antimateria en 1932, trata toda la materia de forma idéntica, lo que implica que la antimateria y la materia responden igual a las fuerzas gravitatorias. Toda la materia normal, como protones, neutrones y electrones, tiene antipartículas que llevan la carga eléctrica opuesta y, cuando se encuentran con su homóloga de materia normal, se aniquilan por completo.

El resultado opuesto habría tenido grandes implicaciones; sería inconsistente con el principio de equivalencia débil de la teoría general de la relatividad de Einstein, dijo Wurtele, profesor de física de la UC Berkeley. Este experimento es la primera vez que se realiza una medición directa de la fuerza de la gravedad sobre antimateria neutra. Es un paso más en el desarrollo del campo de la ciencia de la antimateria neutra.

Fajans señaló que ninguna teoría física predice realmente que la gravedad sea repulsiva para la antimateria. Algunos físicos afirman que, si lo fuera, se podría crear una máquina de movimiento perpetuo, lo cual es teóricamente imposible.

No obstante, la idea de que la antimateria y la materia pudieran verse afectadas de forma diferente por la gravedad resultaba atractiva porque podría explicar algunos enigmas cósmicos. Por ejemplo, podría haber llevado a la separación espacial de la materia y la antimateria en el universo primitivo, explicando por qué sólo vemos una pequeña cantidad de antimateria en el universo que nos rodea. La mayoría de las teorías predicen que durante el Big Bang que dio origen al universo deberían haberse producido cantidades iguales de materia y antimateria.

La gravedad es increíblemente débil

Según Fajans, ha habido muchos experimentos, todos indirectos, que sugieren con fuerza que la antimateria gravita normalmente, pero estos experimentos han sido relativamente sutiles.

¿Por qué no hacer el experimento obvio y dejar caer un trozo de antimateria, una especie de experimento de la torre inclinada de Pisa? Ya sabes, el experimento que Galileo no hizo realmente -era apócrifo- en el que supuestamente dejó caer una bola de plomo y otra de madera desde lo alto de la torre y demostró que ambas llegaban al suelo al mismo tiempo, explicó.

El verdadero problema es que la fuerza gravitatoria es increíblemente débil en comparación con las fuerzas eléctricas, añadió Fajans. Hasta ahora, ha resultado imposible medir directamente la gravedad con una medición tipo gota con una partícula cargada, como un positrón desnudo, porque cualquier campo eléctrico desviará la partícula mucho más que la gravedad.

De hecho, la fuerza gravitatoria es la más débil de las cuatro fuerzas conocidas de la naturaleza. Domina la evolución del universo porque toda la materia -teóricamente- se ve afectada por ella a distancias inmensas. Pero para un trocito de antimateria, el efecto es minúsculo. Un campo eléctrico de 1 voltio/metro ejerce sobre un antiprotón una fuerza unos 40 billones de veces mayor que la fuerza de gravedad que ejerce sobre él el planeta Tierra.

Dalila Robledo (izquierda) fue una de los muchos estudiantes universitarios de la UC Berkeley que tuvieron la oportunidad de viajar a Ginebra para construir el experimento ALPHA-g. Aquí, Robledo ayuda a insertar la trampa magnética que contendrá el antihidrógeno | foto Joel Fajans/UC Berkeley

La colaboración ALPHA del CERN sugirió a Wurtele un nuevo enfoque. En 2010, el equipo ALPHA estaba atrapando cantidades significativas de átomos de antihidrógeno y, en 2011, Wurtele insistió a Fajans en que, dado que el antihidrógeno tiene carga neutra, no se vería afectado por los campos eléctricos, y que debían explorar la posibilidad de una medición de la gravedad.

Fajans descartó la idea durante muchos meses, pero finalmente se convenció de que la tomara lo suficientemente en serio como para realizar algunas simulaciones que sugerían que las ideas de Wurtele tenían mérito. Andrew Charman, profesor de la Universidad de Berkeley, y Andrey Zhmoginov, becario postdoctoral, se involucraron en el proyecto y se dieron cuenta de que un análisis retrospectivo de los datos anteriores podría proporcionar límites muy aproximados de las interacciones gravitatorias de la antimateria con la Tierra. Con la ayuda de sus colegas de ALPHA, elaboraron un artículo que concluía que el antihidrógeno no experimenta más de 100 veces la aceleración -en sentido ascendente o descendente- debida a la gravedad terrestre, en comparación con la materia normal.

Sin embargo, este decepcionante comienzo convenció al equipo de ALPHA para construir un experimento que permitiera realizar una medición más precisa. En 2016, con financiación, en Estados Unidos, de la National Science Foundation y el Departamento de Energía, el gobierno canadiense, la cervecera danesa Carlsberg y otras fuentes internacionales, la colaboración comenzó a construir un nuevo experimento, ALPHA-g, que realizó sus primeras mediciones en verano y otoño de 2022.

Los resultados publicados en Nature se basan en simulaciones y en un análisis estadístico de lo que el equipo observó el año pasado y sitúan la constante gravitatoria para la antimateria en 0,75 ± 0,13 ± 0,16 g o, si se combinan los errores estadísticos y sistemáticos, 0,75 ± 0,29 g, lo que está dentro de barras de error de 1 g. El equipo concluyó que la probabilidad de que la gravedad sea repulsiva para la antimateria es tan pequeña que carece de sentido.

Al menos una docena de estudiantes universitarios de física de Berkeley participaron en el montaje y el funcionamiento del experimento, según Fajans y Wurtele, muchos de ellos procedentes de grupos no bien representados en el campo de la física.

Un equilibrio

El plan para ALPHA-g que propusieron Wurtele y Fajans consistía en confinar unos 100 átomos de antihidrógeno a la vez en una botella magnética de 25 centímetros de largo. ALPHA sólo puede confinar átomos de antihidrógeno que tengan una temperatura inferior a medio grado por encima del cero absoluto, o 0,5 Kelvin. Incluso a esta temperatura extremadamente baja, los antiátomos se mueven a velocidades medias de 100 metros por segundo, rebotando cientos de veces por segundo en los fuertes campos magnéticos de los extremos de la botella. (El momento dipolar magnético de un átomo de antihidrógeno es repelido por los campos magnéticos comprimidos de 10.000 Gauss en cada extremo de la botella).

Si la botella está orientada verticalmente, los átomos que se mueven hacia abajo se acelerarán debido a la gravedad, mientras que los que se mueven hacia arriba se desacelerarán. Cuando los campos magnéticos de cada extremo son idénticos, es decir, están equilibrados, los átomos que se mueven hacia abajo tendrán, por término medio, más energía. Por tanto, tendrán más probabilidades de escapar a través del espejo magnético y chocar contra el contenedor, aniquilándose en un destello de luz y produciendo de tres a cinco piones. Los piones se detectan para determinar si el antiátomo escapó hacia arriba o hacia abajo.

El experimento es como una balanza estándar que se utiliza para comparar pesos muy similares, explica Fajans. La balanza magnética hace visible la fuerza gravitatoria relativamente diminuta en presencia de fuerzas magnéticas mucho mayores, de la misma manera que una balanza normal hace visible la diferencia entre 1 kilogramo y 1,001 kilogramos.

A continuación, los campos magnéticos espejo se reducen muy lentamente, de modo que todos los átomos acaban escapando. Si la antimateria se comporta como la materia normal, deberían escapar más antiátomos -alrededor del 80%- por la parte inferior que por la superior.

El equilibrio nos permite ignorar el hecho de que los antiátomos tienen energías diferentes, explica Fajans. Los de menor energía escapan los últimos, pero siguen sujetos al equilibrio, y el efecto de la gravedad se potencia para todos los antiátomos.

La configuración experimental también permite a ALPHA hacer que el espejo magnético inferior sea más fuerte o más débil que el espejo superior, lo que da a cada antiátomo un impulso de energía que puede cancelar o superar los efectos de la gravedad, permitiendo que salga un número igual o mayor de antiátomos por arriba que por abajo.

Esto nos proporciona un poderoso mando experimental que nos permite, básicamente, creer que el experimento realmente funcionó porque podemos probarnos a nosotros mismos que podemos controlar el experimento de una manera predecible, dijo Fajans.

Los resultados tuvieron que tratarse estadísticamente debido a las muchas incógnitas: Los investigadores no podían estar seguros de cuántos átomos de antihidrógeno habían atrapado, no podían estar seguros de haber detectado todas las aniquilaciones, no podían estar seguros de que no hubiera campos magnéticos desconocidos que hubieran afectado a las trayectorias de los antiátomos y no podían estar seguros de haber medido correctamente el campo magnético de la botella.

El código informático de ALPHA que simula el experimento podría estar sutilmente equivocado porque no conocemos las condiciones iniciales precisas de los átomos de antihidrógeno, podría estar equivocado porque nuestros campos magnéticos no son correctos, y podría estar equivocado por alguna incógnita desconocida, dijo Wurtele. No obstante, el control que proporciona el ajuste del mando de la balanza nos permite explorar el alcance de cualquier discrepancia, lo que nos da confianza en que nuestro resultado es correcto.

Los físicos de la UC Berkeley confían en que las próximas mejoras de ALPHA-g y de los códigos informáticos multipliquen por 100 la sensibilidad del instrumento.

Este resultado es un esfuerzo de grupo, aunque la génesis de este proyecto tuvo lugar en Berkeley, dijo Fajans, ALPHA se diseñó para la espectroscopia del antihidrógeno, no para mediciones gravitacionales de estos antiátomos. La propuesta de Jonathan y mía era completamente ortogonal a todos los planes para ALPHA, y la investigación probablemente no se habría llevado a cabo sin nuestro trabajo y años de solitario desarrollo.

Y aunque el resultado nulo podría tacharse de poco emocionante, el experimento es también una importante prueba de la relatividad general, que hasta la fecha ha superado todas las demás pruebas.

Si uno se pasea por los pasillos de este departamento y pregunta a los físicos, todos dirían que este resultado no es en absoluto sorprendente. Esa es la realidad, dijo Wurtele. Pero la mayoría de ellos también dirán que había que hacer el experimento porque nunca se puede estar seguro. La física es una ciencia experimental. No quieres ser el tipo de estúpido que no hace un experimento que explora una posible nueva física porque pensabas que sabías la respuesta, y luego acaba siendo algo diferente.


Fuentes

University of California – Berkeley | 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). doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1


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