No sabemos si un kilo de antimateria pesa lo mismo que un kilo de materia, y estos experimentos súper precisos quieren comprobarlo

Peso, masa y materia son tres ideas con las que vivimos cada día. Sin embargo, no son tan "naturales" como nos podría parecer. En el universo, la materia que conocemos mediante nuestros sentidos no es la única que existe. La gravedad, aunque nos ancla al suelo, es una idea todavía enigmática.

Para poder entender mejor en qué nos equivocamos (y en qué hemos acertado), los científicos han construido enormes laboratorios, algunos con kilómetros de longitud, en los que hacer experimentos de altísimas energías. Uno de los más novedosos pretende responder a una sencilla pregunta: ¿pesa lo mismo un kilo de materia que de antimateria?

El dilema del peso y la masa

"¿Qué pesa más: un kilo de hierro o un kilo de plumas?", preguntaba socarrón un viejo profesor de mi instituto. Los más rápidos contestaban sin pensar que el kilo de hierro. Los más meditabundos nos parábamos a pensar un poco más: "¡Lo mismo!", contestábamos al unísono un poco después. "Todos estáis equivocados", soltaba entre risas el profesor.

Esta historia, que tiene un poco de verdad y un poco de cuento, refleja una realidad que subyace a todas las veces que nos hemos caído al suelo: todavía no entendemos la gravedad. A diferencia de otras fuerzas fundamentales del universo, la gravedad sigue escapándose a nuestra comprensión. Nos faltan datos, partículas, experimentos, mediciones...

La gravedad aparece asociada a la masa, pero no tenemos del todo claro por qué. La gravedad, al final, nos lleva a pensar en otro aspecto esencial en nuestro día a día: el peso. Decimos que algo pesa según la fuerza que ejerce hacia "abajo" (hacia el suelo). Y hablamos de peso y masa sin ningún tipo de distinción.

Cuando hablamos de un kilo de plumas, estamos hablando de su peso, pero en realidad hacemos referencia a su masa. El peso es el producto de esa masa por la fuerza de la gravedad. Y, para complicarlo más, cuando medimos "el peso", en realidad, lo que medimos es la suma de todas las fuerzas que actúan sobre la masa. Por ejemplo, un kilo de plumas podría no medir lo mismo que un kilo de hierro ante una balanza.

Pero pasemos a una cuestión aún más inquietante. Tanto las plumas como el hierro son materia, y son afectadas por una serie de fuerzas que conocemos bastante bien. Ahora imaginemos que tenemos un kilo de hierro y un kilo de "antiplumas" (plumas hechas con antimateria, vaya). ¿Se plegarían a las mismas normas universales? ¿O pasaría algo completamente distinto?

Antimateria, la "alquimia" del siglo XXI

La búsqueda de la piedra filosofal se remonta a miles de años atrás. Los primero alquimistas buscaban convertir los metales en oro y otras materias preciosas. La idea era crear nuevos materiales para entender el mundo. De estos "sabios" no se diferencian tanto los científicos más punteros actuales.

Los operadores, técnicos y físicos que trabajan en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (más conocida como CERN), también buscan en los secretos de la materia la verdad del universo. Como los viejos alquimistas, desgranan las leyes fundamentales creando nuevas partículas y fenómenos físicos. Entre ellos la antimateria.

Cuando nuestro universo "apareció", con él aparecieron la materia y la antimateria, que según los cálculos deberían haberse encontrado de forma simétrica. Con el tiempo, no sabemos muy bien por qué, esta última fue desapareciendo. O eso creemos, porque en realidad nadie tiene muy claro por qué no tenemos la antimateria más a mano. Tal vez esté ahí, formando enormes cúmulos de galaxias de antimateria, en un punto lejano del espacio. En cualquier caso, sabemos con seguridad que la antimateria existe.

Y lo sabemos porque podemos crearla en el laboratorio. La antimateria salió como resultado de las ecuaciones matemáticas. Los físicos se encargaron de idear una manera de obtenerla para observarla mediante interacciones muy energéticas. La antimateria se crea en laboratorios como el decelerador de antiprotones, en el CERN, o con el experimento ALPHA, que genera partículas de antihidrógeno.

El problema de estas partículas es que son muy efímeras: se aniquilan en contacto con sus partículas contrarias. Así, un átomo antihidrógeno se destruye al entrar en contacto con un átomo de hidrógeno. Por otro lado, aunque muchas propiedades son muy parecidas a las de la materia, la antimateria sigue siendo un gran misterio.

Volviendo a la cuestión que nos ocupaba al principio, ¿obedece la antimateria a la gravedad de la misma manera que los objetos cotidianos que conocemos? Y si no lo hace, ¿qué significa? ¿Cambiará nuestra visión universal? Es imposible construir un kilo de antiplumas para comprobarlo. Pero lo que sí que podemos hacer es probar con moléculas de antimateria más pequeñas.

ALPHA-g y GBAR, y el peso de un antiátomo

Para responder a la pregunta de marras, varios investigadores han preparado sendos experimentos. En ALPHA, mediante el choque de partículas se consigue un positrón (un antielectrón) y un antiprotón para formar un antihidrógeno. Este, en el experimento anterior, ATHENA, chocaba contra las paredes del experimento y se aniquilaba con la materia ordinaria.

En ALPHA han conseguido mantener aislado la antimateria durante más de un cuarto de hora, atrapando el antiátomo. De esta manera se puede apuntar un láser hacia él y estudiar su estructura interna. Con ALPHA-g el experimento es muy similar, pero puesto en vertical. Lo que pretenden hacer con la antimateria es muy parecido a lo que quiso comprobar Galileo con la pluma y el martillo: dejar caer el átomo. Este experimento permite medir con precisión cómo afecta la gravedad a la antimateria.

El otro experimento, el GBAR, quiere coger antiprotones y positrones y formar un antiión, es decir, un ión con carga magnética pero de antimateria. Después, este antiión se enfriará a temperatura cercana al cero absoluto y se le robará uno de los positrones, para convertirlo, de nuevo, en un antiátomo no iónico.

En ese mismo momento, al no tener carga, el antiátomo caerá 20 centímetros durante los cuales los investigadores observarán su comportamiento. Básicamente, es el mismo proceso que el ALPHA-g pero más preciso, ya que trata de eliminar casi cualquier interacción con otras posibles fuerzas.

Estos experimentos darán sus resultados en unos años. No es nada fácil fabricar antimateria y mucho menos controlarla. Los operadores de GBAR tienen la confianza de poder generar los primeros antiátomos este año que entra. ALPHA-g espera poder arrojar resultados en 2021.

Mientras tanto, el mundo espera a la respuesta. Si detectamos alguna extrañeza en el comportamiento de la antimatería, si la gravedad no le afecta como a la materia, podríamos estar ante un hito revolucionario: un cambio profundo en el entendimiento de esta fuerza fundamental, una posible solución para formular una teoría cuántica de la gravedad. O, tal vez, nos topemos con que necesitamos un kilo de antiplumas para saberlo, quién sabe.

Imagen | Robert Couse-Baker / Flickr