La gravedad afecta igual a la materia y a la antimateria

Como parte de un experimento para medir, en un grado preciso, las relaciones carga-masa de protones y antiprotones, la colaboración BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) descubrió que la materia y la antimateria responden a la gravedad de la misma manera.

Rocío Snyder

El experimento BASE, que ha descubierto que la materia y la antimateria interactúan de manera similar con la gravedad.
El experimento BASE, que ha descubierto que la materia y la antimateria interactúan de manera similar con la gravedad.

La materia y la antimateria crean algunos de los problemas más interesantes de la física actual. Son esencialmente equivalentes, excepto que donde una partícula tiene carga positiva, su antipartícula tiene carga negativa. Sin embargo, uno de los grandes misterios de la física actual, conocido como “asimetría bariónica”, es que, a pesar de que parezcan semejantes, el universo parece estar compuesto enteramente por materia, con muy poca antimateria. Naturalmente, los científicos de todo el mundo se esfuerzan por encontrar algo diferente entre los dos, lo que podría explicar por qué existimos.

Ahora, la colaboración BASE ha demostrado, dentro de límites estrictos, que la antimateria responde a la gravedad de la misma manera que la materia

Como parte de esta búsqueda, éstos han explorado si la materia y la antimateria interactúan de manera similar con la gravedad, o si la antimateria experimentaría la gravedad de una manera diferente a la materia, lo que violaría el principio de equivalencia débil de Einstein. Ahora, la colaboración BASE ha demostrado, dentro de límites estrictos, que la antimateria responde a la gravedad de la misma manera que la materia.

El hallazgo, publicado en Nature, en realidad provino de un experimento diferente, que examinaba las proporciones de carga a masa de protones y antiprotones, una de las otras medidas importantes que podrían determinar la diferencia clave entre los dos.

Vista del experimento BASE desde arriba.
Vista del experimento BASE desde arriba. Foto: Nature.

Un trabajo de 18 meses

Este estudio implicó 18 meses de trabajo en la fábrica de antimateria del CERN. Para realizar las mediciones, el equipo confinó antiprotones e iones de hidrógeno cargados negativamente, que utilizaron como sustitutos de los protones, en una trampa de Penning.

En este dispositivo, una partícula sigue una trayectoria cíclica con una frecuencia, cercana a la frecuencia del ciclotrón, que escala con la fuerza del campo magnético de la trampa y la relación carga-masa de la partícula. Al alimentar la trampa con antiprotones e iones de hidrógeno cargados negativamente, uno a la vez, pudieron medir, en condiciones idénticas, las frecuencias de ciclotrón de los dos tipos de partículas, comparando sus proporciones de carga a masa.

"Pudimos obtener el resultado de que son esencialmente equivalentes, en un grado cuatro veces más preciso que las medidas anteriores"

Según Stefan Ulmer, líder del proyecto, “Al hacer esto, pudimos obtener el resultado de que son esencialmente equivalentes, en un grado cuatro veces más preciso que las medidas anteriores. A este nivel de invariancia CPT, la causalidad y la localidad se mantienen en las teorías relativistas de campos cuánticos del modelo estándar”.

Curiosamente, el grupo usó las medidas para probar una ley física fundamental conocida como el principio de equivalencia débil. De acuerdo con éste, diferentes cuerpos en el mismo campo gravitatorio deberían experimentar la misma aceleración en ausencia de fuerzas de fricción.

Campo gravitatorio en la superficie de la Tierra

Debido a que el experimento BASE se colocó en la superficie de la Tierra, las mediciones de frecuencia de ciclotrón de protones y antiprotones se realizaron en el campo gravitatorio de ésta.

vista área del edificio CERN, donde se llevó a cabo el experimento.
vista área del edificio CERN, donde se llevó a cabo el experimento. 

Al muestrear el campo gravitacional de la Tierra mientras el planeta orbitaba alrededor del Sol, los científicos encontraron que la materia y la antimateria respondían a la gravedad de la misma manera hasta un grado de tres partes en 100, lo que significa que la aceleración gravitatoria de la materia y la antimateria es idéntica dentro del 97% de la aceleración experimentada.

"Si los resultados de nuestro estudio difieren de los de los otros grupos, podría conducir al amanecer de una física completamente nueva”.

Ulmer agrega que estas medidas podrían conducir a una nueva física. Afirma: “La precisión del 3% de la interacción gravitacional obtenida en este estudio es comparable al objetivo de precisión de la interacción gravitatoria entre la antimateria y la materia que otros grupos de investigación planean medir, usando átomos de anti-hidrógeno en caída libre. Si los resultados de nuestro estudio difieren de los de los otros grupos, podría conducir al amanecer de una física completamente nueva”.

El grupo de investigación, dirigido por RIKEN, incluía científicos de socios internacionales como el CERN, la Sociedad Max Planck, el Instituto Nacional de Metrología de Alemania PTB, las Universidades de Mainz y Hannover, la Universidad de Tokio y GSI Darmstadt.

Fuente: Nature.