La gravedad en la antimateria
Alberto Ruiz Jimeno (IFCA, CSIC-UC)1
Quiero reanudar estos extractos de ciencia, con ocasión del décimo aniversario de la colaboración entre el Instituto de Física de Cantabria y el Ateneo de Santander, que celebramos este mes de octubre de 2023.
Analizando los principales resultados científicos publicados en estos meses pasados, tengo una especial predilección por el que presento en este extracto, ya que trata de la antimateria, un campo a la que dediqué muchos de mis estudios pasados sobre la composición básica del Universo.
El resultado, publicadoi en la revista Nature, el 23-septiembre-2023, trata de la acción de la gravedad sobre átomos de anti hidrógeno, antimateria de los átomos de hidrógeno, y ha sido desarrollado por la colaboración Alpha-g, dentro del complejo de estudios experimentales de dichos átomos de antimateria del CERN.
La antimateria fue predicha por Paul Dirac, en 1928, cuando expuso su famosa ecuación de la mecánica cuántica relativista, cuyas soluciones corresponden a partículas elementales fermiónicasii , como por ejemplo el electrón o su correspondiente antipartícula, el positrón. Poco tiempo después, en 1932, se descubrió experimentalmente el positrón, por parte de Carl David Anderson, en rayos cósmicos. Otras antipartículas elementales, espejos en el espacio de antimateria de las partículas conocidas, fueron descubiertas posteriormente, completando el conjunto de partículas que constituyen el Universo de materia conocido, predicho por el modelo estándar de la física de partículas.
Las antipartículas se caracterizan por tener sus cargas intrínsecas, como la carga eléctrica, de valor opuesto a la de sus partículas correspondientes. Cuando varias partículas elementales se combinan, por efecto de sus interacciones, pueden formar partículas compuestas, como es el caso del protón, cuya estructura interna contiene quarks y gluones. El antiprotón, descubierto por Emilio Segré y Owen Chamberlain, en 1955, tiene una estructura interna similar a la del protón, pero se caracteriza por ser una especie de reflejo del mismo en el espacio de antimateria con respecto a las cargas intrínsecas de sus componentes.
Lo mismo que hay materia y antimateria para partículas elementales y para partículas compuestas, lo puede haber entre átomos y antiátomos. De hecho, el CERN inició en 1995 la producción de átomos de anti-hidrógeno, compuestos de un núcleo constituido por un antiprotón y un positrón orbitando en torno al mismo.
En 1915, Albert Einstein publicó la teoría de la Relatividad General, la teoría física moderna de la gravitación, que es una auténtica teoría del espacio-tiempo, el cual viene determinado por la propia materia. La Relatividad General ha tenido un notable éxito para explicar el origen y evolución del Universo a gran escala y sus predicciones, como la existencia de ondas gravitacionales producidas por la perturbación del espacio-tiempo en sucesos cósmicos como la colisión de estrellas de neutrones y agujeros negros, han sido comprobadas estos últimos años.
La otra gran revolución del siglo XX, la Mecánica Cuántica, cuyas predicciones están ampliamente observadas y de la que surge la física de partículas elementales, puede explicar las interacciones fundamentales electromagnéticas y nucleares, pero no existe, todavía, una teoría consistente, cuántica, de la gravitación.
En todo caso, la interacción gravitatoria es extremadamente débil en comparación de las otras, muchos órdenes de magnitud menor, de modo que su incidencia en partículas o antipartículas cargadas es difícilmente observable. Por ejemplo, la interacción gravitatoria de un protón o antiprotón en la superficie de la Tierra, equivale a un campo eléctrico de una décima de millonésima de voltios por metro; y las fuerzas magnéticas equivalentes son todavía más débiles.
Pese a dichas dificultades, si que se ha podido medir el cociente entre las relaciones carga-masa de protones y antiprotones, resultando perfectamente compatible con la unidad. En este contexto, no solo las cargas sino las masas intervienen, por lo que dicha compatibilidad es una demostración del llamado “principio débil de equivalencia” de la Relatividad General. Este principio viene a establecer que todas las masas reaccionan igualmente ante la gravedad, por lo que se espera que materia y antimateria respondan exactamente igual ante la gravitación.
El experimento que nos ocupa, Alpha-g, trata de superar la dificultad de medir gravedad en partículas o antipartículas cargadas, haciéndolo para átomos, neutros, de anti-hidrógeno. El experimento requiere la producción y almacenamiento de los mismos, su enfriamiento para mantenerles con baja energía cinética y, posteriormente, análisis del efecto de la gravedad sobre los mismos. Es un experimento complejo, de alta precisión.
El diseño y construcción del experimento se realizó en 2018, utilizando el complejo de experimentos Alpha, cuyo esquema se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Esquema del complejo Alpha, Cortesía CERN
Para la producción de átomos de anti-hidrógeno se utilizan antiprotones procedentes del “CERN antiprotón decelerator “ y “ELENA (Extra Low Energy Antiproton)iii, que proporcionan paquetes de 7,5 millones de antiprotones de 100 Kiloelectron-voltios de energía cada 120 segundos. Estos son capturados dinámicamente en trampas Penningiv de acuerdo con el esquema de la Figura 2, logrando ciclos de captura de medio millón de antiprotones.
Figura 2: Diseño de una trampa Penning para captura de antiprotones en el experimento Alpha-g (Cortesía CERN)
Como se observa en la Figura el confinamiento se realiza verticalmente. El campo solenoidal de la trampa es de 3 Tesla.
Si bien los antiprotones están decelerados, su energía cinética es demasiado grande todavía, por lo que escaparían de la trampa, aniquilándose con los protones de las paredes. Por ello es necesario enfriarles, para lo que se utilizan electrones inyectados en Alpha-g, asimismo atrapados dinámicamente usando campos solenoidales de 1 Tesla.
Por otra parte, se utilizan positrones procedentes del acumulador de positrones, del orden de 3 millones por ciclo, que son inyectados y atrapados en Alpha-g.
Todo el sistema está enfriado, a su vez, a 4 K mediante Helio líquido
Los antiátomos tienen sus spines polarizados y quedan confinados por la interacción de su momento magnético interno μ con el campo magnético externo B. El atrapamiento se produce en un cilindro de 4,4 cm. de diámetro y 25,6 cm. de altura. La fuerza gravitatoria terrestre es equivalente a una fuerza magnética hacia arriba producida por una diferencia de campo magnético de 0,000453 Tesla entre la parte superior y la inferior de 25,6 cm. de altura de la trampa. Es decir, es muy pequeño frente al campo magnético externo B, por lo que el estudio de la acción gravitacional frente a la acción del campo magnético requiere mucha precisión.
En el proceso, tras 4 horas se obtienen 50 paquetes acumulados de anti-hidrógeno, de los que aproximadamente solo 100 átomos quedan atrapados con energía suficientemente baja, para realizar el estudio de su interacción gravitacional. La toma de datos se realizó durante 30 días.
Variando el campo externo entre el extremo superior e inferior de la trampa de Penning del cilindro citado, reduciéndole o aumentándole, se puede analizar el efecto combinado gravitatorio y magnético, observando cuantos antiátomos se van por la parte superior y cuántos por la parte inferior, para lo cual hay detectores que observan las aniquilaciones producidas en las paredes del dispositivo (Figura 3)
Figura 3: Cortesía CERN
Haciendo diferentes medidas correspondientes a diferentes valores del campo magnético, se analizó la probabilidad, en cada caso, de que los antiátomos salgan por abajo o por arriba, comparándolo con la simulación de lo que era esperable en caso de gravedad similar a la de la materia, ausencia de gravedad y gravedad contraria a la de la materia (antigravedad) (Figura 4)
Figura 4: Probabilidad de caída, en diferentes simulaciones con diferentes valores del campo magnético externo, y datos experimentales los resultados son los mostrados en la Figura 5 del artículo de referencia)
Los datos experimentales muestran una aceleración gravitatoria ag = [0,75 +- 0,13 (error combinado estadístico y sistemático) +- 0,16 (error de la simulación)] g, siendo g la constante gravitatoria de materia ordinaria, 9,81 m/seg2.
Este resultado es perfectamente compatible con el valor g, siendo 0,00029 la probabilidad de ausencia de gravitación e inferior a 0,000000000000001 la probabilidad de antigravitación.
Es decir, se comprueba que materia y antimateria, en este caso átomos de hidrógeno y de anti-hidrógeno, se comportan exactamente igual ante la fuerza de gravitación, verificándose el principio de equivalencia de la Relatividad General.
(1) Profesor emérito del Instituto de Física de Cantabria (CSIC-Universidad de Cantabria)
i. W.K.Anderson et al., “Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter”, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1
ii.Los fermiones elementales, así denominados en honor a Enrico Fermi, son partículas con spin (momento magnético intrínseco) 1/2 y constituyen los denominados bloques elementales de materia del Universo, frente a los bosones elementales, de spin entero, entre los cuales se encuentran los cuantos, de spin 1, de las interacciones fundamentales electromagnética y nucleares, y el bosón de Higgs, de spin 0, cuanto del campo causante de la existencia de masa en dichas partículas elementales.
iii. 1Kiloelectronvoltio (keV) equivale a 1,60218e-16 julios, es decir 0,000000000000000160318 julios)
iv. https://es.wikipedia.org/wiki/Trampa_de_Penning
