Confirman que la antimateria cae, como la materia, a causa de la gravedad

En un experimento único, en efecto, un equipo de investigadores de la colaboración internacional ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), en el laboratorio europeo CERN, en Suiza, ha conseguido observar el camino descendente que siguen una serie de átomos individuales de antihidrógeno y ha proporcionado, tras décadas de dudas, una respuesta definitiva: la antimateria, cae.

El trabajo, que se acaba de publicar en 'Nature', descarta por tanto una supuesta 'repulsión gravitacional' como explicación a la práctica ausencia de antimateria en el Universo.

«El éxito de la colaboración ALPHA -afirma Vyacheslav 'Slava' Lukin, director de programa de la División de Física de National Science Foundation (NSF)- es un testimonio de la importancia del trabajo en equipo entre continentes y comunidades científicas. Comprender la naturaleza de la antimateria puede ayudarnos no sólo a entender cómo surgió nuestro Universo, sino que también puede permitir nuevas innovaciones que nunca antes se habían creído posibles, como las tomografías por emisión de positrones (PET), que han salvado muchas vidas al aplicar nuestro conocimiento sobre la antimateria para detectar células cancerosas y tumores en el cuerpo».

Todo cuanto nos rodea, desde nosotros mismos a los muros de nuestra casa, el suelo que pisamos, la Tierra, el Sol y todas las estrellas y galaxias que podemos ver, está compuesto por apenas un puñado de partículas, como protones, neutrones o electrones, que forman átomos de oxígeno, carbono, hierro o cualquier otro elemento de la tabla periódica. Toda esa materia surgió del Big Bang hace 13.760 millones de años, pero al mismo tiempo, según la teoría más extendida, debió de surgir una cantidad idéntica de 'antimateria', la imagen especular de la materia ordinaria (a no confundir con la materia oscura).

Pero las observaciones nos muestran, tozudamente, un Universo hecho de sólo de materia. ¿Dónde está, pues, toda la antimateria que falta? Nadie ha visto, ni espera ver, planetas enteros, o galaxias, hechos de antimateria. Aunque 'ahí fuera' la antimateria debería ser igual de abundante que la que vemos.

Materia y antimateria son exactamente iguales, excepto por una cosa: sus cargas eléctricas son opuestas. Lo cual significa que si un electrón (materia) tiene carga negativa, su correspondiente partícula de antimateria, el positrón, la tendrá positiva. Del mismo modo, a cada protón de materia, con carga positiva, le corresponde un 'antiprotón' de antimateria con carga negativa. Y lo mismo vale para cualquier otra partícula.

Pero eso plantea un problema. Cuando una partícula de materia ordinaria (por ejemplo un electrón) se encuentra con su antipartícula (un positrón) ambas se aniquilan en un pequeño estallido de energía. Por lo tanto, si el Big Bang 'fabricó' la misma cantidad de una que de otra, ambas, materia y antimateria, deberían haberse aniquilado por completo dejando... nada.

Y sin embargo, desafiando a nuestra comprensión, ahí están los billones de galaxias y los trillones de estrellas y planetas que forman nuestro Universo. Todo hecho de materia y sin el mínimo rastro de antimateria. Los científicos llaman a este problema 'bariogénesis'. Una posible explicación, ahora descartada por el nuevo experimento, era que la antimateria fue 'repelida' gravitacionalmente por la materia ordinaria durante el Big Bang. Otros sostienen que, por alguna razón, durante el Big Bang se rompió la simetría entre materia y antimateria, de modo que surgió más de la primera que de la segunda. Si eso fuera así, el Universo que vemos sería el 'sobrante' de materia que quedó después de que toda la demás se aniquilara.

«La teoría de la relatividad general de Einstein - explica el coautor Jonathan Wurtele, físico del plasma de la Universidad de California en Berkeley y miembro de la colaboración ALPHA- dice que la antimateria debería comportarse exactamente igual que la materia. Muchas mediciones indirectas indican que la gravedad interactúa con la antimateria como se esperaba, pero hasta el resultado de hoy, nadie había realizado realmente una observación directa que pudiera descartar, por ejemplo, que el antihidrógeno se moviera hacia arriba y no hacia abajo en un campo gravitacional».

Para llevar a cabo su experimento, los investigadores generaron una pequeña cantidad de antimateria en su laboratorio.

«En términos generales -continúa Wurtele- estamos produciendo antimateria para hacer un experimento tipo Torre Inclinada de Pisa, (supuestamente hecho por Galileo en el siglo XVI para demostrar una aceleración gravitacional idéntica de dos objetos de volumen similar pero masa diferentelanzados simultáneamente). Estamos dejando caer la antimateria para ver si sube o baja».

Durante el experimento ALPHA, el antihidrógeno estaba contenido en el interior de una cámara de vacío cilíndrica con una trampa magnética variable, llamada ALPHA-g. Los científicos redujeron la fuerza de los campos magnéticos superior e inferior de la trampa hasta que los átomos de antihidrógeno pudieron escapar y la influencia de la gravedad se hizo evidente.

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 les permitió ir contándolos.

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 consistente con cómo se comportaría una nube de hidrógeno convencional en las mismas condiciones.

Quedaba claro, por lo tanto, que la gravedad hacía que el hidrógeno cayera. «Hemos descartado - concluye Wurtele- que la antimateria sea repelida por la fuerza gravitacional en lugar de atraída. Lo cual no significa que no haya una diferencia en la fuerza gravitacional sobre la antimateria, aunque eso sólo una medición más precisa lo dirá».

Ahora, los investigadores de la colaboración ALPHA seguirán investigando la naturaleza del antihidrógeno. Y 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 alguna manera diferente del hidrógeno -afirma el investigador- sería algo revolucionario porque las leyes físicas, tanto en la mecánica cuántica como en la gravedad, dicen que el comportamiento debería ser el mismo. Sin embargo, uno no puede estar seguro hasta que hace el experimento».