Los físicos prueban los efectos de la #gravedad sobre la #antimateria.
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00:02Echa un vistazo a tu alrededor. Todo lo que ves, desde la yema de tus dedos hasta la pantalla
00:07de este vídeo, es una combinación diferente de los mismos tres componentes básicos de
00:12la materia. Protones, neutrones y electrones. Ahora miremos un poco más lejos, digamos
00:20a Marte, o a la galaxia de Andrómeda, o a los confines del universo observable. Y habrá
00:27materia hecha de protones, neutrones y electrones, hasta donde alcanza la vista. Esto puede no
00:34parecer tan sorprendente, pero por una vez, el misterio no es que hayamos visto algo inexplicable,
00:40sino lo que no hemos visto, un universo igual de lleno de antimateria. Acompáñame hoy mientras
00:48exploramos el mundo de la antimateria y aprendemos sobre sus interacciones con otras partículas e
00:54incluso con la gravedad. Al final de este vídeo, probablemente estarás de acuerdo en que la
01:00antimateria es un poco rara, pero también verás por qué algunos físicos se sorprenden de que no
01:06sea lo suficientemente rara. Antes de nada, aclaremos una cosa. Aunque pueda parecer algo
01:15sacado directamente de la ciencia ficción, la antimateria es muy real. Forma parte esencial del
01:22modelo estándar de la física de partículas, y se han observado partículas de antimateria en
01:27experimentos que se remontan a casi un siglo. La primera detección de antimateria se remonta
01:33a un experimento realizado en 1932 por Calde y Anderson en Caltech, utilizando una cámara
01:40de niebla sumergida en un campo magnético. Cuando las partículas cargadas procedentes del
01:46espacio exterior, denominadas rayos cósmicos, interceptan la órbita de la Tierra y atraviesan
01:52dicha cámara, el campo magnético curva sus trayectorias según la carga y la masa de cada
01:57partícula, y la niebla muestra una huella visible de sus trayectorias resultantes. Anderson esperaba que
02:04este experimento le ayudara a determinar qué tipo de partículas llegaban a la Tierra desde el cosmos,
02:09y puede que encontrara algo más de lo que esperaba. Anderson vio que los rayos cósmicos contenían
02:17partículas con carga positiva y negativa. Las masas de las partículas cargadas negativamente
02:23coincidían exactamente con la masa conocida de un electrón, pero algunas de las partículas
02:29cargadas positivamente eran demasiado ligeras para ser protones. En cambio, parecían tener la masa
02:36de un electrón, a pesar de tener la carga opuesta, por lo que estas partículas nunca antes vistas
02:42pasaron a conocerse como antielectrones, o más tarde positrones para abreviar. En 1936, Anderson ganaría
02:51el premio Nobel de física por este descubrimiento. Mientras tanto, un físico británico, que también
02:57estaba destinado a ganar un Nobel, había estado desarrollando una descripción de los electrones que
03:03encajaría perfectamente en el marco de la teoría cuántica de campos. Se llamaba Paul Dirac. En 1928,
03:12Dirac se había dado cuenta de que, para describir los electrones como campos cuánticos de un modo
03:18físicamente coherente con la relatividad especial, tenían que formar parte de una estructura matemática
03:24mayor, más tarde conocida como espinor de Dirac, que inevitablemente daba lugar a versiones de la misma
03:31partícula con carga positiva y negativa. De este modo, Dirac había predicho la existencia de los
03:38positrones antes incluso de que Anderson hubiera construido la cámara de nubes que los detectaría
03:44cuatro años más tarde. Lo que es aún más increíble es que los electrones no son la única partícula
03:51fundamental en pares opuestos gracias al espinor de Dirac. Otras partículas de la materia, como los
03:58quarks que componen los protones y los neutrones, tienen cada una su contrapartida anti-quark. Estos
04:04anti-quarks pueden unirse para formar antiprotones y antineutrones, que a su vez pueden unirse a
04:10positrones para formar antiátomos y antimoléculas. Podrías hacer un planeta entero de antimateria y desde
04:18fuera se parecería bastante a un planeta ordinario hecho de materia ordinaria. Pero si la antimateria
04:25fuera demasiado parecida a la materia, si la única diferencia fuera el signo de su carga, sería imposible
04:31explicar por qué nuestro universo contiene tanta de una y tampoco de la otra. Este misterio cósmico,
04:39conocido como la asimetría bariónica del universo, lanzó a los físicos a una búsqueda durante décadas
04:46para tratar de encontrar todas las diferencias que pudieran entre materia y antimateria. Esa búsqueda
04:53continúa hoy en día, encabezada por los colisionadores de partículas del CERN, capaces de producir,
05:00atrapar y estudiar tanto positrones como antiprotones. Pero antes de hablar de estos experimentos,
05:07vamos a intentar resumir lo que ya sabemos sobre las propiedades de la antimateria. Al estudiar las
05:14antipartículas de forma aislada, los experimentos han confirmado con una precisión cada vez mayor que
05:20sus propiedades intrínsecas, a saber sus masas, son exactamente las mismas que las de las partículas
05:26ordinarias. Y al estudiar cómo se ven afectadas las antipartículas por las fuerzas electromagnéticas,
05:33los experimentos han vuelto a constatar que se comportan exactamente igual que las partículas
05:38ordinarias, excepto que con la carga eléctrica opuesta, tal como Anderson había observado en su
05:45semana de niebla. Pero el electromagnetismo es solo una de las cuatro fuerzas fundamentales de la
05:51naturaleza, junto con la gravedad y las fuerzas nucleares fuerte y débil. Y cuando los físicos
05:58empezaron a comprender mejor la fuerza débil en los años 50 y 60, se dieron cuenta de que las
06:04partículas y las antipartículas se ven afectadas por ella de forma bastante diferente. La primera
06:10sorpresa fue que las partículas ordinarias solo podían sentir la fuerza débil si eran zurdas y
06:16las antipartículas solo si eran diestras. El concepto de lateralidad o quiralidad es sutil y
06:24difícil de conceptualizar para las partículas con masa. Pero se puede establecer una analogía con la
06:30helicidad de una partícula, que describe si una partícula tiene espina hacia arriba o hacia abajo a lo
06:36largo de su dirección de movimiento. En esta analogía, una partícula con espina hacia arriba
06:42se denomina diestra, mientras que una partícula con espina hacia abajo se denomina zurda. La segunda
06:48sorpresa, aún más descabellada, fue que las antipartículas diestras experimentaban una fuerza
06:54débil distinta a la de las partículas ordinarias zurdas. En la práctica, esto significa que las
07:01probabilidades cuánticas de la desintegración radiactiva en los núcleos ordinarios son algo
07:06distintas de las probabilidades de desintegración en los antinúcleos. Esta asimetría fundamental entre
07:13partículas y antipartículas se observó por primera vez en un experimento realizado en 1963 por James
07:21Croning y Val Fitch de la Universidad de Princeton, que recibirían otro premio Nobel por su descubrimiento.
07:29Cuando se descubrió esta asimetría, hubo cierta esperanza de que explicara la asimetría bariónica
07:35del universo. Tal vez estas diferencias en la fuerza débil fueran responsables de la abundancia de
07:41materia y la absoluta falta de antimateria que nos rodea. Pero las matemáticas no acabaron de
07:48funcionar. Sencillamente, no había suficiente diferencia entre la fuerza débil que actúa sobre
07:53las partículas y la que actúa sobre las antipartículas. Fue entonces cuando los físicos
08:00empezaron a centrar su atención en la fuerza nuclear fuerte. Los modelos teóricos predecían
08:06que, al igual que en la interacción débil, debería haber algunas diferencias en cómo sienten la fuerza
08:12fuerte las partículas zurdas y las antipartículas diestras. Pero la antimateria no deja de sorprendernos.
08:20Todos los experimentos realizados hasta la fecha sugieren que la fuerza fuerte trata igual a las
08:26partículas y a las antipartículas. Esto nos lleva a la última de las cuatro fuerzas fundamentales y
08:32objeto de los experimentos que se están llevando a cabo hoy en el CERN, la gravedad. Para ser sinceros,
08:40sugerir que la gravedad podría tratar de forma diferente a la materia y a la antimateria es un poco
08:45exagerado. Piensa en la leyenda popular de Galileo lanzando piedras de distintos tamaños y materiales
08:52desde la Torre de Pisa. Todas cayeron a la misma velocidad, porque la aceleración gravitatoria en
08:58la Tierra es de 9,8 metros por segundo al cuadrado, independientemente del objeto que caiga. Por supuesto,
09:06el experimento funciona aún mejor en una cámara de vacío. Newton amplió esta idea y demostró en el siglo
09:13XVII que la aceleración gravitatoria en cualquier lugar del espacio solo depende de la masa del
09:19objeto que tira de ti y de tu distancia a él, pero no de ninguna de tus propiedades personales,
09:25ni siquiera de tu propia masa. Este famoso resultado, conocido como el principio de equivalencia,
09:31es la base de la teoría de la relatividad general de Einstein, nuestro modelo más preciso y exitoso de
09:37la gravedad hasta la fecha. Teniendo esto en cuenta, la física sigue siendo una ciencia experimental en
09:44su esencia, y no podemos saber con seguridad si la materia y la antimateria obedecen las mismas leyes
09:51de la gravedad a menos que lo comprobemos por nosotros mismos. Los físicos del CERN se propusieron
09:57hacer precisamente eso, motivados no solo por la asimetría bariónica del universo, sino también por
10:04unas cuantas publicaciones especulativas que sugerían que los misterios cosmológicos de la
10:09materia y la energía oscuras podían explicarse más fácilmente si la antimateria tuviera una carga
10:15gravitatoria negativa, o dicho de forma más sencilla, si la antimateria cayera hacia arriba en vez de hacia
10:22abajo. Hay varios experimentos en curso en el CERN que prueban las propiedades gravitatorias de la
10:28antimateria, como AEGIS, GEBAR y ALFA. Hoy nos centraremos específicamente en un experimento
10:36clave del grupo ALFA que se publicó en la revista Nature el pasado mes de septiembre. Tras décadas
10:42de suposiciones, este experimento nos ha aportado datos reales sobre la aceleración gravitatoria de la
10:48antimateria en la superficie de la Tierra. Pero antes de mostrarte los resultados, dediquemos un momento
10:55a apreciar lo intrincadamente que se diseñó este experimento para aislar y medir los efectos de la
11:01gravedad. El primer paso del experimento consiste en asegurar un haz de varios millones de positrones
11:08por segundo emitidos por un isótopo radioactivo del sodio, NA22. La mayoría de estos positrones
11:15acaban colisionando con la materia ordinaria del experimento, provocando explosiones en miniatura
11:21en las que los positrones y los electrones se aniquilan mutuamente y liberan una pequeña ráfaga
11:27de energía en forma de luz. Pero una pequeña fracción de los positrones sobrevive al ser guiada
11:33a través del aparato experimental, donde son enfriados por gases a baja presión y atrapados
11:39por campos eléctricos y magnéticos. Pero observar los efectos de la gravedad sobre estos positrones
11:45sería casi imposible. Sus masas son tan pequeñas que la diminuta gravedad que siente cada partícula
11:53queda eclipsada incluso por las más pequeñas fluctuaciones de los campos electromagnéticos
11:58circundantes. Por eso, esta colección de positrones se fusiona con un contenedor separado de antiprotones,
12:05donde se unen y forman átomos neutros de antihidrógeno, que responden mucho menos a los
12:11campos electromagnéticos fortuitos. ¿Y de dónde proceden los antiprotones? Basta decir
12:17que se produjeron disparando protones ordinarios contra un bloque de metal muy, muy rápido.
12:24Sí, la física es así de formidable. Una vez creados los átomos de antihidrógeno,
12:31se comportan como imanes diminutos y débiles que pueden permanecer atrapados por una complicada
12:36disposición de campos magnéticos externos. Pero ahora, esta interacción magnética es lo
12:43suficientemente débil como para no sobrecargar los efectos gravitatorios que intentamos medir.
12:49La cámara que contiene estos átomos de antihidrógeno es casi un vacío. Solo hay unos 2 por 10 elevado a
12:565 átomos de gas ordinario por centímetro cúbico, frente a una densidad atmosférica típica de 2 por 10 a
13:03a 18 de átomos por centímetro cúbico. En estas condiciones, los átomos de antihidrógeno atrapados
13:10casi nunca colisionan ni se aniquilan con átomos de materia ordinaria. En cambio,
13:15pueden flotar más o menos alrededor de la cámara durante minutos. Pero a medida que se debilitan los
13:21campos magnéticos utilizados para atrapar verticalmente los átomos de antihidrógeno,
13:26esta levitación aleatoria acaba permitiendo que los átomos de antihidrógeno escapen por la parte
13:32superior o inferior de la cámara, donde pueden colisionar con la pared del aparato,
13:37aniquilarse con algunos átomos ordinarios y liberar una pequeña ráfaga de luz. En el
13:42experimento alfa, esto ocurre en el transcurso de unos 20 segundos. La teoría que subyace al
13:49experimento es que si la gravedad tira realmente de la antimateria hacia abajo, escaparán más
13:55antiátomos por la parte inferior que por la superior. Cuanto más fuerte es la fuerza gravitatoria,
14:01más átomos escapan por la parte inferior. Las simulaciones realizadas por el equipo alfa
14:07mostraron que en condiciones normales de atracción gravitatoria, aproximadamente el 85% de los átomos
14:14de antihidrógeno escaparían por la parte inferior, mientras que solo el 20% escaparían por la parte
14:20inferior si la gravedad tirara de la antimateria hacia arriba. Si no existiera fuerza gravitatoria
14:26alguna, las simulaciones mostrarían una distribución más uniforme del 55% de escape por el fondo,
14:34debido a la simetría del propio aparato experimental. ¿Qué descubrió el experimento real?
14:42Pues que aproximadamente el 75% de los átomos de antihidrógeno escaparon por el fondo de la
14:49cámara, mostrando una clara preferencia por la gravedad que tira hacia abajo.
14:55Como haría cualquier científico concienzudo, el equipo alfa repitió este experimento para recoger
15:01diversos datos que contaran una historia más completa. Rehicieron el procedimiento con distintos
15:06niveles de polarización del campo magnético, que aplicaban fuerzas magnéticas externas ascendentes
15:12o descendentes sobre los átomos de antihidrógeno. En este gráfico, un sesgo de menos 1G significa
15:18que se aplica la fuerza magnética justa para contrarrestar la gravedad normal, mientras que
15:24un sesgo de más 1G significa que se aplica 1G extra de fuerza magnética para empujar los átomos de
15:31antihidrógeno hacia abajo, y así sucesivamente. El equipo realizó predicciones mediante simulaciones
15:38para cada sesgo, y para diversas interacciones gravitatorias posibles, que produjeron las
15:43curvas naranja, verde y morada que se muestran aquí. Como puedes ver, los puntos de datos
15:49experimentales, mostrados en azul, coinciden mejor con la curva naranja, que representa la
15:55simulación normal en la que la gravedad tira de la antimateria hacia abajo. Pero como los datos caen
16:01un poco por debajo de esta curva, la aceleración gravitatoria que mejor se ajusta es de solo 0,75 G,
16:09tres cuartas partes de la fuerza de la gravedad que actúa sobre la materia ordinaria. ¿Significa
16:15esto que después de todo, la gravedad afecta de forma diferente a las partículas de materia y
16:20antimateria? No necesariamente. Echemos un vistazo a las barras de error. Indican que hay dos fuentes
16:28principales de incertidumbre en los resultados, incluida una incertidumbre en el sesgo aplicado,
16:33posibles errores en la alineación y otras incertidumbres sistemáticas y estadísticas.
16:40Cuando se tienen en cuenta estas incertidumbres, la aceleración gravitatoria mejor ajustada es en
16:46realidad de 0,75 G más menos 0,13 G más menos 0,16 G. Esto significa que un G
16:56de aceleración
16:57gravitatoria sigue siendo bastante coherente con los datos recogidos. Futuros experimentos podrán
17:03determinar con mayor precisión con qué fuerza actúa la gravedad sobre la antimateria, pero ya
17:09podemos descartar las teorías especulativas que se basan en que la antimateria cae hacia arriba en
17:15vez de hacia abajo. Al final, a pesar de lo extraño y opuesto que es el mundo de la antimateria,
17:21parece que
17:22solo la fuerza débil se aplica realmente de forma diferente a las partículas y a las antipartículas.
17:28Pero explicar la simetría bariónica del universo requeriría diferencias mucho más drásticas entre
17:34ambas, por lo que los científicos no han terminado de buscarlas. ¿Podría haber nuevas fuerzas y
17:41partículas que interaccionen de forma aún más extraña con la antimateria? ¿O estarías dispuesto a aceptar
17:47que el hecho de tener tanta más materia que antimateria a nuestro alrededor es una mera
17:52coincidencia? En cualquier caso, dinos si has aprendido algo nuevo sobre la antimateria viendo
17:58este vídeo, y si es un tema sobre el que te gustaría saber más. Gracias por tu visita y nos
18:04vemos en el futuro.
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