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Físicos encuentran que materia y antimateria parecen responder de la misma manera a la gravedad

Como parte de un experimento para medir las relaciones de carga a masa de protones y antiprotones, físicos han encontrado que materia y antimateria parecen responder de la misma manera a la gravedad.

La materia y la antimateria crean algunos de los problemas más interesantes de la física actual. 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, conocido como «asimetría bariónica», es que, a pesar de que parecen equivalentes, el universo parece estar compuesto íntegramente por materia, con muy poca antimateria. Naturalmente, los científicos de todo el mundo están tratando de 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 débil principio de equivalencia de Einstein.

Ahora, la colaboración BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) liderada por RIKEN en el CERN, Ginebra, ha demostrado, dentro de límites estrictos, que la antimateria de hecho responde a la gravedad de la misma manera que la materia.

El hallazgo, publicado en Nature, en realidad provino de un experimento diferente, que examinaba 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 supuso 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 introducir antiprotones e iones de hidrógeno cargados negativamente en la trampa, uno a la vez, pudieron medir, en condiciones idénticas, las frecuencias de ciclotrón de los dos tipos de partículas, comparando sus relaciones de carga a masa.

Según explica en un comunicado Stefan Ulmer, líder del proyecto, «al hacer esto, pudimos obtener como resultado que son esencialmente equivalentes, en un grado cuatro veces más preciso que las medidas anteriores. A este nivel de invariancia CPT, causalidad y localidad mantener en las teorías relativistas de campo cuántico del Modelo Estándar «.

El grupo utilizó las mediciones para probar una ley física fundamental conocida como el principio de equivalencia débil. Según este principio, diferentes cuerpos en el mismo campo gravitacional deberían sufrir 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 la frecuencia del ciclotrón de protones y antiprotones se realizaron en el campo gravitacional en la superficie de la Tierra, y cualquier diferencia entre la interacción gravitacional de protones y antiprotones resultaría en una diferencia entre los frecuencias de ciclotrón.

Al muestrear el campo gravitacional de la Tierra mientras el planeta orbitaba el 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 gravitacional de la materia y la antimateria son idéntico dentro del 97% de la aceleración experimentada.

Ulmer agrega que estas mediciones podrían conducir a una nueva física. «La precisión del 3% de la interacción gravitacional obtenida en este estudio es comparable al objetivo de precisión de la interacción gravitacional entre la antimateria y la materia que otros grupos de investigación planean medir usando átomos anti-hidrógeno 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», explicó.