Resuelto uno de los grandes enigmas de la antimateria que ni Einstein pudo explicar

La materia ordinaria somos nosotros y todos los elementos que reconocemos a nuestro alrededor y en el universo, formados por partículas como los electrones, los neutrones y los protones. Sin embargo, también existe la antimateria, más esquiva para nuestros sentidos y más escasa, compuesta por sus correspondientes antipartículas, que son las mismas, pero con la carga eléctrica opuesta. Cuando materia y antimateria entran en contacto, se aniquilan y liberan energía. Por eso, estudiar la segunda es gran un desafío científico y, en gran parte, su comportamiento sigue siendo un misterio. Por ejemplo, si dejásemos caer la antimateria en nuestro planeta, ¿se precipitaría hacia abajo por efecto de la gravedad, como ocurre con el resto de los objetos, o saldría disparada hacia arriba?

Investigadores del CERN de Ginebra (Suiza) acaban de responder a esta curiosa pregunta en un artículo publicado en Nature. Después de años de trabajo, pueden afirmar con total rotundidad que la antimateria cae al igual que lo hace la materia ordinaria. Para averiguarlo, los científicos del experimento ALPHA construyeron la máquina ALPHA-g, una trampa magnética para átomos de antihidrógeno que quedan suspendidos dentro de un dispositivo, de manera que solo puede afectarles la fuerza de la gravedad. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein ya anticipaba que todos los objetos deberían tener la misma respuesta ante la atracción gravitacional, en este caso, de la Tierra, pero nunca se había podido comprobar hasta ahora.

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“En física, no se sabe realmente algo hasta que se observa”, ha declarado el portavoz de ALPHA, Jeffrey Hangst. “Este es el primer experimento directo que observa realmente un efecto gravitacional sobre el movimiento de la antimateria. Es un hito en el estudio de la antimateria, que todavía nos desconcierta por su aparente ausencia en el universo”, añade. No ha sido fácil, porque a lo largo de los últimos 30 años este equipo ha estado aprendiendo cómo lograr un antiátomo, retenerlo, controlarlo y dejarlo caer para que sea sensible a la fuerza de la gravedad.

¿Cómo se fabrica un átomo de antihidrógeno? Si un átomo de hidrógeno está formado por un protón (carga eléctrica positiva) en el núcleo y un electrón (carga eléctrica negativa) que orbita a su alrededor, el átomo de antihidrógeno es justo lo contrario: un antiprotón (carga negativa) y un antielectrón o positrón (un electrón positivo). Los investigadores del CERN consiguieron crearlos hace tiempo, pero el verdadero problema estaba en manipularlos, porque la antimateria queda aniquilada en contacto con la materia. En concreto, se convierte en energía en forma de fotones, es decir, que la interacción emite luz. Por eso, han tenido que confinarla en una cámara de vacío gracias a un sistema de láseres, para que quede suspendida y no le afecte ninguna otra fuerza salvo la gravedad. Así, han podido comprobar que un átomo de antihidrógeno cae igual que uno de hidrógeno.

Explorando el origen del universo

Aunque los físicos no se sorprenden por un resultado que encaja perfectamente con los cálculos de Einstein, la comprobación experimental es un hito en la historia de esta ciencia. En 2010, los investigadores de ALPHA, que pertenecen a una docena de países, ya habían conseguido atrapar antihidrógeno y en 2013 midieron por primera vez su masa gravitacional, es decir, la fuerza de atracción en un campo gravitatorio. De hecho, calcularon cómo se comportaría tanto si cayese hacia abajo como hacia arriba, porque en realidad no sabían qué sucedía exactamente. La construcción de la máquina ALPHA-g, en 2018 (aunque no comenzó a operar y ofrecer resultados hasta hace un año), ha traído la respuesta muy esperada para poder explicar los orígenes del universo.

Al principio de los tiempos, con el Big Bang, se crea tanta materia como antimateria, pero en los segundos iniciales del universo, por alguna razón que nadie ha conseguido explicar, la antimateria fue desapareciendo y solo quedó la materia. Teniendo en cuenta que ambas de aniquilan y cada una era el 50%, el universo tendría que haberse destruido, quedando solo un cúmulo de energía sobrante. ¿Qué factor desequilibró la balanza a favor de la materia y permitió que hoy estemos aquí? El misterio trae de cabeza a los expertos y, de momento, no tiene solución.

De hecho, este resultado publicado en Nature descarta una de las posibles explicaciones que se habían barajado. “Este experimento demuestra que la gravedad afecta de la misma manera a la materia y la antimateria, y esto descarta una posible explicación de por qué hubo una diferencia entre las dos al principio de los tiempos”, explica en declaraciones a El Confidencial Arantza Oyanguren, experta del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) de Valencia e investigadora del CERN. Así, después de este resultado, “es más sorprendente que existamos”. No obstante, ahora sabemos que, si los átomos y antiátomos se hubieran comportado de forma diferente frente a la gravedad, probablemente, no existirían las galaxias y los planetas tal y como los conocemos, sino que se habrían formado otras estructuras.

"Si el antihidrógeno fuera de alguna manera diferente del hidrógeno, sería algo revolucionario porque las leyes físicas, porque tanto la mecánica cuántica como la gravedad dicen que el comportamiento debería ser el mismo", ha comentado Jonathan Wurtele, físico de la Universidad de California en Berkeley y miembro de ALPHA que hace años propuso realizar este experimento en concreto. Según explica este experto, han hecho algo similar al famoso experimento de Galileo Galilei en la torre de Pisa, cuando supuestamente dejó caer objetos de diferente masa para explicar que, en realidad, la gravedad les afectaba de la misma manera (aunque hoy en día los historiadores creen que esto nunca ocurrió).

Qué hacemos ahora

La cuestión es que, al descartar que la gravedad tenga un efecto distinto sobre la antimateria que sobre la materia, el misterio del origen del universo no solo sigue sin explicación, sino que se vuelve aún más enigmático, así que no queda más remedio que seguir investigando. En ALPHA-g, los científicos seguirán fabricando átomos de antihidrógeno para medir con mayor precisión la aceleración gravitacional de la antimateria atómica. Sin embargo, hay otras formas de analizar las propiedades de la antimateria. Otros experimentos del CERN relacionados con este campo son GBAR, que también está orientado al análisis de la gravedad, pero centrándose en los antiiones, y AEgIS, con antiprotones.

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Más allá de la gravedad, otros proyectos tratan de entender cómo interacciona la antimateria con otras fuerzas. Los aceleradores de partículas ofrecen la posibilidad de crear las antipartículas necesarias. En ello trabaja Arantza Oyanguren dentro del experimento LHCb del CERN. “Nosotros estudiamos los hadrones b, unas partículas que no se desintegran igual si son materia o si son antimateria”, comenta. Entonces, ¿estará ahí la clave sobre la diferencia entre esos dos tipos de elementos en el origen del universo? Aunque, en principio, no se puede explicar por esa vía, para los físicos resulta más que interesante ese extraño comportamiento y un hilo imprescindible del que tirar para desentrañar la maraña.

De hecho, aunque se trata de cuestiones muy teóricas que parecen relacionadas únicamente con el conocimiento puro, el estudio de la antimateria puede tener aplicaciones muy concretas. Por ejemplo, la técnica PET (tomografía de emisión de positrones) funciona gracias a la antimateria. Básicamente, al aniquilar electrones con positrones, emite luz que permite obtener imágenes del cuerpo humano, enfocadas sobre todo al diagnóstico de enfermedades. Además, este tipo de tecnología cada vez tiene más utilidades en el campo de la industria.