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| Los científicos han luchado por conservar la antimateria el tiempo suficiente para realizar experimentos con ella. Ilustración: US National Science Foundation/AFP/Getty Images |
Aún queda mucho por descubrir sobre la composición gravitatoria del universo, como demuestran las ideas emergentes sobre la materia y la energía oscuras. Las singularidades de la teoría general de la relatividad y la ausencia de una teoría cuántica de la gravedad pueden dificultar nuestra comprensión. Por lo tanto, investigar la gravedad en sistemas físicos inusuales tiene sentido.
Einstein no conocía la antimateria en 1915. El positrón se descubrió en 1932, mientras que la teoría de Dirac se publicó en 1928. Desde entonces, se ha discutido mucho sobre la gravedad y la antimateria. Aunque algunos autores han pensado en las consecuencias cosmológicas si la antimateria fuera repelida por la materia, el consenso teórico es que la Tierra debe atraer cualquier masa de laboratorio.
Un experimento histórico del CERN responde a la vieja pregunta de si la antimateria y la materia se atraen o repelen gravitatoriamente observando la trayectoria descendente que siguen los átomos individuales de antihidrógeno.
Sus investigaciones también contribuyen a resolver uno de los misterios sin respuesta de la ciencia: ¿por qué hay tan poca antimateria en el universo visible?
Jonathan Wurtele, físico del plasma de la Universidad de California en Berkeley y miembro de la colaboración ALPHA, afirma: "La teoría de la relatividad general de Einstein afirma que la antimateria debería comportarse igual que la materia. Muchas mediciones indirectas indican que la gravedad interactúa con la antimateria como era de esperar. Aún así, hasta el resultado de hoy, nadie había realizado una observación directa que pudiera descartar, por ejemplo, que el antihidrógeno se moviera hacia arriba en lugar de hacia abajo en un campo gravitatorio."
Más allá de los imaginarios torpedos de fotones y los motores warp de antimateria de "Star Trek", la antimateria es totalmente real, pero enigmáticamente escasa. La mayor parte de lo que se conoce como materia bariónica -que compone nuestros cuerpos, la Tierra y casi todo lo demás en el universo- está presente en todos estos objetos. Es la materia, como el oxígeno, el carbono, el hierro y otros elementos bien conocidos de la tabla periódica, que está compuesta principalmente por protones y neutrones regulares.
Sin embargo, dependiendo del tipo específico de partícula, la antimateria puede presentar algunas características opuestas a la materia convencional. Los protones tienen carga positiva, mientras que los antiprotones tienen carga negativa. Los antielectrones, también llamados positrones, son positivos.
Joel Fajans, miembro de la colaboración ALPHA y físico del plasma de la Universidad de Berkeley, declaró: "En cuanto la antimateria entra en contacto con la materia, explota... La masa combinada de la materia y la antimateria se transforma totalmente en energía en una reacción tan energética que "explosión" no le hace justicia. Los científicos lo llaman "aniquilación".
"Para una masa dada, tales aniquilaciones son la forma más densa de liberación de energía que conocemos".
Pero no te preocupes, los científicos utilizaron una cantidad muy pequeña de antimateria en los experimentos la energía creada por las aniquilaciones antimateria/materia es invisible para los humanos. Aun así, los científicos tuvieron que manipular la antimateria con cuidado, o la perderíamos.
El expansivo experimento ALPHA, que lleva casi 20 años en desarrollo, se encuentra a las afueras de Ginebra, en una estructura conocida como la "Fábrica de Antimateria", donde el antihidrógeno se fabrica desde cero fusionando antiprotones y positrones en un complejo procedimiento. El complejo acelerador de partículas del CERN produce y suministra los antiprotones al experimento ALPHA. Los positrones se obtienen de un isótopo radiactivo sintético de sodio que los produce. Los plasmas, el cuarto estado de la materia (sólido, líquido y gaseoso son los otros tres), se crean cuando ambas antipartículas se enfrían hasta justo por debajo de la temperatura ambiente.
El experimento de la gravedad se llevará a cabo finalmente en una cámara vertical ALPHA-g cuando los plasmas de antiprotones y positrones hayan sido canalizados hacia allí.
La mayor parte del tiempo del experimento se dedica a manipular el plasma para darle la forma y la temperatura necesarias. Así, los científicos tuvieron que enfriarlos a unos 10 grados Kelvin -10 grados por encima del cero absoluto- y darles forma de aguja. Una vez alcanzadas las condiciones adecuadas, los plasmas se mezclan con gran precisión dentro de la cámara ALPHA-g para crear los preciados átomos de antihidrógeno.
En términos generales, fabricamos antimateria y realizamos un experimento similar al de la Torre de Pisa. Soltamos la antimateria y vemos si sube o baja".
Una trampa magnética variable mantiene el antihidrógeno dentro de la cámara de vacío cilíndrica de ALPHA-g. Esto impide que la antimateria del interior de la cámara alcance las paredes y se aniquile. Los científicos debilitan los campos magnéticos superior e inferior de la trampa hasta que los átomos de antihidrógeno pueden escapar y la gravedad relativamente débil queda al descubierto. Cada átomo de antihidrógeno que escapa de la trampa magnética se aniquila al chocar con las paredes de la cámara, por encima o por debajo de la trampa, lo que los investigadores pueden ver y contar.
Los científicos repitieron el experimento varias veces. Cada vez, variaron la intensidad del campo magnético de la parte superior e inferior de la trampa para descartar posibles errores. Se comprobó que cerca del 80% de los átomos de antihidrógeno se aniquilaban bajo la trampa cuando los débiles campos magnéticos se equilibraban con precisión en la parte superior e inferior. Este resultado es coherente con el comportamiento de una nube de hidrógeno ordinario en las mismas circunstancias.
En consecuencia, el antihidrógeno caía por efecto de la gravedad.
Fajans declaró: "Anteriormente, muchas observaciones indirectas sugerían con fuerza que la antimateria gravita normalmente. Pero ninguna de esas observaciones era tan incontrovertible como seguir las trayectorias de la antimateria bajo la influencia de la gravedad; todas se basaban en fenómenos mucho más sutiles."
Seguramente se habrá dado cuenta de que no hay seres de antimateria deambulando por ahí arrasándolo todo en explosiones masivas. No observamos mucha antimateria en ninguna parte del cosmos, a pesar de algunas fuentes extremadamente pequeñas, como los positrones emitidos de forma natural por el potasio, incluso dentro de los plátanos. Esto va en contra de las leyes de la física, que establecen que la antimateria debería coexistir con la materia convencional en una cantidad aproximadamente igual.
Tim Tharp, miembro de la colaboración ALPHA y físico especialista en plasma de la Universidad Marquette, afirma: "En su mayor parte, vivimos en un universo de materia. Y una gran pregunta es '¿por qué?' No hay mucha antimateria alrededor, y no entendemos por qué el universo desarrolló esta preferencia".
Los científicos se refieren a este enigma como el dilema de la bariogénesis. La antimateria podría haber sido rechazada gravitatoriamente por la materia ordinaria durante el Big Bang, enviándola a una región inobservable del universo, lo que podría explicar su escasez. Esa teoría ya no se sostiene.
Según Wurtele, "hemos descartado que la antimateria sea repelida por la fuerza gravitatoria en lugar de atraída. Pero eso no significa que no haya una diferencia en la fuerza gravitatoria sobre la antimateria que aún no se ha medido. La fuerza de la gravedad sobre la antimateria puede ser más débil o más fuerte que sobre la materia regular, lo que requiere una medición más precisa para determinarlo."
Vyacheslav "Slava" Lukin, director de programa en la División de Física de la NSF, declaró: "El éxito de la colaboración ALPHA 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 también a hacer posibles innovaciones que nunca antes se habían creído posibles, como las tomografías por emisión de positrones, que han salvado muchas vidas al aplicar nuestros conocimientos sobre la antimateria para detectar tumores cancerosos en el cuerpo."
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