Qué traviesa la antimateria, ¿Cae hacia arriba o hacia abajo?

En esta entrada pretendemos explicar la tan de moda discusión acerca de las propiedades gravitatorias de la antimateria.  Parece que , a día de hoy, no las tenemos todas a nuestro favor sobre si la materia cae hacia abajo.

Hemos estado leyendo multitud de artículos sobre el tema y nuestra conclusión es:

No tenemos ni idea.

Así que vamos a intentar reflejar las ideas detrás del tema. Como veréis no podemos concluir nada, así que vosotros mismos.

Antimateria

Como hemos comentado en distintas entradas del blog, la antimateria es una predicción de la teoría cuántica de campos.  Es decir, cuando intentamos unir relatividad especial y mecánica cuántica, aparece de manera natural que cada partícula tiene que tener una compañera con todas las cargas (aditivas) opuestas, el mismo espín, misma masa y misma vida media.

Este hecho está fundamentado en lo que se conoce como simetría CPT.  Esta simetría fue discutida en la entrada:

Papá, ¿qué son las simetrías C, P y T?

(se recomienda una rápida lectura a esta entrada y las relacionadas para refrescar las ideas al respecto).

Brevemente, lo que nos dice esta simetría CPT es que si cambiamos la física de forma que convirtamos cada carga en su carga opuesta, que si cambiamos una situación por su imagen especular y si cambiamos el sentido de las velocidades, todo queda igual.

Esta simetría es resultado de exigir que la física sea la misma para todo observador inercial, es decir, de exigir que se satisfagan las leyes de la relatividad especial. Esto es lo que se llama que la física sea invariante Lorentz.

Por lo tanto, de forma ingenua estamos tentados a pensar que dado que la materia y la antimateria tienen la misma masa (o misma energía) el campo gravitatorio afectará de igual forma a ambas.  Profundicemos más en este punto.

La gravedad y el principio de equivalencia

La gravedad es una interacción hippie, cree en el amor libre y la igualdad de todos los miembros en el universo (Selecciona con el cursor este hueco: esto es una broma, no sea que algún aficionado a la new age se lo tome en serio). La gravedad no hace distingos entre partículas, de igual su masa, su carga y todo lo demás, la gravedad atrae a todo por igual.  Todos los cuerpos caen en un campo gravitatorio con la misma aceleración (Galileo dixit).

Así que en principio, la antimateria debería de caer exactamente igual que la materia.  Pero eso solo en principio.

Afortunadamente, se están llevando a cabo experimentos donde por primera vez se va a estudiar como siente la gravedad un sistema formado por antimateria.  No se ha hecho este tipo de experimentos debido a las complicaciones técnicas que tiene crear y sobre todo almacenar sistemas de antimateria.  Pero ahora ya están las condiciones sobre la mesa.

Eligiendo un sistema de antimateria para estudiarlo.

La antimateria es sencilla de crear en un laboratorio, se hace a diario. Hay elementos que la escupen en sus desintegraciones radiactivas (por ejemplo son útiles para cosas como la tomografía de emisión de positrones.  El problema para intentar medir los efectos gravitatorios en la antimateria es que se necesita un sistema neutro.  Esto es lógico, si las partículas son cargadas la interacción eléctrica dominará sobre la gravitatoria y sus efectos no serán apreciables.

Y el sistema de antimateria más simple posibles es:

El anti-hidrógeno.  Un sistema atómico formado por un antiprotón y un positrón (un anti-electrón).

Posibles comportamientos de la antimateria en un campo gravitatorio.

La antimateria se puede comportar frente a un campo gravitatorio producido por una masa formada por materia de las siguientes formas:

1.-  Materia y antimateria sienten la misma aceleración y en el mismo sentido.  Esto vendría a corroborar el principio de equivalencia y sería consistente con la simetría CPT.  Todo el mundo dormiría tranquilo por las noches.

2.- La antimateria cae con una velocidad mayor que la materia en dicho campo gravitatorio.  Esto sería brutal, se encontraría una violación del principio de equivalencia y equivaldría a decir que la Relatividad General tiene que ser generalizada y extendida.

3.- La antimateria es repelida (cae hacia arriba) respecto del campo gravitatorio mencionado.

De ser esto así, tendríamos una explicación para la energía oscura y para la inexistencia de antimateria a nuestro alrededor.  Si materia y antimateria se repelen esto explicaría la expansión del universo y la falta de antimateria en nuestra parte del mismo.

Nuestra pregunta

En este tema no tenemos mucho que decir, más bien tenemos una pregunta.

Si la materia y la antimateria se comportan de manera diferente en un campo gravitatorio, por ejemplo el de la tierra ¿Por qué todos los isótopos de los elementos químicos caen con la misma aceleración? Diferentes isótopos del mismo elemento químico tienen distinto número de neutrones.  Parte de la contribución a la masa del neutrón viene dada por antiquarks.  Por lo tanto distintos isótopos del mismo elemento deberían de caer de forma distinta.

En fin, que es un tema que ahora está de relativa moda, pero afortunadamente hay experimentos en marcha que dilucidarán la cuestión en breve.

Así que esperaremos para saber cuál de las opciones es la buena:

Información útil:

Página del experimento ATHENA del CERN. (AnTyHidrogEN Apparatus)

Página del experimento AEGIS del CERN.

Si gustáis de leer algún artículo teórico respecto del tema este que nos ocupa y no encontráis ninguno, pedidlo.

Nos seguimos leyendo…