Como parte de un experimento para medir, en un grado extremadamente preciso, las relaciones carga-masa de protones y antiprotones, la colaboración BASE dirigida por RIKEN en el CERN, Ginebra, Suiza, descubrió que, dentro de la incertidumbre del experimento, la materia y la antimateria responden a la gravedad de la misma manera.
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. En otros aspectos parecen equivalentes. Sin embargo, uno de los grandes misterios de la física actual, conocido como “asimetría bariónica”, es que, a pesar de que parezcan equivalentes, el universo parece estar formado 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.
Como parte de esta búsqueda, los científicos 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 estaba examinando 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.
Este trabajo 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. Según Stefan Ulmer, líder del proyecto, “al hacer esto, pudimos obtener un resultado que son esencialmente equivalentes, en un grado cuatro veces más preciso que las medidas anteriores. A este nivel de invariancia, causalidad y localidad de CPT sostienen 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 este principio, diferentes cuerpos en el mismo campo gravitatorio deberían experimentar la misma aceleración en ausencia de fuerzas de fricción. 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 en la superficie de la Tierra, y cualquier diferencia entre la interacción gravitatoria de protones y antiprotones daría como resultado una diferencia entre la frecuencias de ciclotrón.
Al tomar muestras del 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 son idéntico dentro del 97% de la aceleración experimentada.
Ulmer agrega que estas medidas podrían conducir a una nueva física. Él dice: “La precisión del 3% de la interacción gravitatoria 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 utilizando átomos de antihidrógeno en caída libre. Si los resultados de nuestro estudio difiere de los de los otros grupos, podría conducir al amanecer de una física completamente nueva”.
