Hacia una nueva física

Materia y antimateria interactúan de la misma forma con la gravedad

La fábrica de antimateria del CERN aclara un misterio que intriga a los físicos desde hace casi un siglo

Materia y antimateria interactúan de la misma forma con la gravedad
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Redacción T21

La antimateria y la materia responden a la gravedad de la misma manera. Incluso caen con la misma aceleración en ausencia de fuerzas de fricción, ha descubierto el CERN en su fábrica de antimateria. Estas mediciones podrían conducir a una nueva física.

Un experimento desarrollado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) con sede en Ginebra ha descubierto que la antimateria responde a la gravedad de la misma forma que la materia.

Esta evidencia se constató mediante mediciones precisas realizadas en los movimientos de los antiprotones y protones, dos partículas que representan la dualidad materia-antimateria: el antiprotón es la antipartícula del protón.

Las mediciones también proporcionan la mejor confirmación hasta ahora de que el antiprotón se ajusta a ciertos aspectos del Modelo Estándar de la física de partículas, según se informa en un comunicado del Instituto Riken de Japón.

La materia y la antimateria crean algunos de los problemas más interesantes de la física actual, explica al respecto la revista PhysicWorld.

Equivalentes, pero…

Materia y antimateria son esencialmente equivalentes, excepto que cuando una partícula tiene una carga positiva, su antipartícula tiene una negativa. En otros aspectos, parecen equivalentes.

Sin embargo, uno de los grandes misterios de la física actual es que, a pesar de que parecen equivalentes, el universo está compuesto aparentemente de materia, con muy poca antimateria.

Desde que la existencia de la antimateria fuese teorizada en 1928 por el físico inglés Paul Dirac, los científicos están tratando de encontrar algo diferente entre las dos, lo que podría explicar por qué existimos.

Como parte de esta búsqueda, han explorado si la materia y la antimateria interactúan de manera similar con la gravedad, o si la antimateria experimenta la gravedad de una manera diferente a la materia, lo que violaría el principio de equivalencia de Einstein.

Prueba del principio de equivalencia débil / RIKEN.

Misma respuesta

La materia está compuesta de bariones y leptones, como protones y electrones. Según el Modelo Estándar, cada una de estas partículas tiene una antipartícula correspondiente con masa idéntica, pero carga opuesta.

Al igual que los protones y los electrones, estas antipartículas pueden combinarse para producir antimateria, algo que el CERN consigue en una instalación propia denominada "Fábrica de antimateria".

El experimento realizado en el CERN se desarrolló mediante la colaboración internacional BASE e implicó atrapar antiprotones e iones de hidrógeno negativos utilizando campos eléctricos y magnéticos.

El experimento BASE en el CERN tiene como objetivo medir el momento magnético del antiprotón con una precisión muy alta, para poder compararlo con el momento magnético del protón. 

Este experimento demostró, dentro de límites estrictos, que la antimateria responde a la gravedad de la misma manera que la materia.

Prueba directa

Este resultado representa la prueba directa más precisa de una simetría fundamental entre materia y antimateria, realizada con partículas hechas de tres quarks, conocidos como bariones, y sus antipartículas, según los investigadores.

El experimento también probó el principio de equivalencia débil, que es una consecuencia de las teorías de la relatividad de Einstein.

Este principio dice que el comportamiento de un objeto en un campo gravitacional es independiente de sus propiedades intrínsecas, incluida su masa, en ausencia de fuerzas de fricción.

Un ejemplo familiar de este principio es que, en el vacío, una pluma y un martillo caen libremente con la misma aceleración.

Aceleración idéntica

Hay que tener en cuenta, no obstante, que la órbita de la Tierra alrededor del Sol es elíptica, por lo que la gravedad cambia ligeramente en el transcurso de un año. Los autores de esta investigación comprobaron que tanto las frecuencias del protón y como del antiprotón registran esta ligera variación de la gravedad. 

El equipo confirmó así que el principio de equivalencia débil se aplica tanto a la antimateria como a la materia, por lo que la aceleración gravitacional de la materia y la antimateria es idéntica.

Los investigadores destacan al respecto que, aunque BASE no dejó caer directamente antimateria en el campo gravitacional de la Tierra, su medición de la influencia de la gravedad en una partícula de antimateria es conceptualmente muy similar, lo que indica que no hay interacción anómala entre la antimateria y la gravedad.

Stefan Ulmer, director de esta compleja investigación, afirma que estas mediciones podrían conducir a una nueva física.

Cara al futuro, otros experimentos en el CERN planean probar el principio de equivalencia débil mediante la observación de antimateria en caída libre.

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Referencia

A 16-parts-per-trillion measurement of the antiproton-to-proton charge–mass ratio. M. J. Borchert et al. Nature 601, 53–57 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04203-w