Un experiment confirma que no es pot levitar amb antimatèria

L’antimatèria acaba de perdre una mica més de glamur. Els físics saben que per a cada partícula fonamental de la natura hi ha una antipartícula: un bessó malvat amb una massa idèntica però dotat de característiques iguals i alhora oposades, com la càrrega elèctrica. Quan aquests bessons es troben, s’aniquilen mútuament i deixen anar un esclat d’energia.

A la ciència-ficció les antipartícules són les que subministren la potència als motors de curvatura. Alguns físics han especulat amb la possibilitat que les antipartícules siguin repel·lides per la gravetat o fins i tot que retrocedeixin en el temps. Un nou experiment al CERN, el Centre Europeu de Recerca Nuclear, torna a la Terra part d’aquestes especulacions. Resulta que en un camp gravitatori les antipartícules cauen cap avall igual que tots nosaltres. Com afirma Joel Fajans, de la Universitat de Califòrnia (Berkeley): “La conclusió és que no podrem levitar amb l’antimatèria”.

Fajans ha format part d’un equip internacional denominat ALPHA (sigles d’Antihydrogen Laser Physics Apparatus), amb seu al CERN i dirigit per Jeffrey Hangst, físic de partícules de la Universitat d’Aarhus a Dinamarca. Fajans i els seus col·legues van ajuntar uns 100 antiàtoms d’hidrogen i els van deixar en suspensió en un camp magnètic. Quan la intensitat d’aquest camp va anar baixant a poc a poc, els àtoms d’antihidrogen van començar a caure com les fulles d’auró a l’octubre i a la mateixa velocitat d’acceleració descendent –o força g– que els àtoms normals: uns 975 centímetres per segon. Dimecres van publicar aquest resultat a la revista Nature.

El resultat va sorprendre pocs físics. Segons la teoria de la relativitat general d’Einstein, totes les formes de la matèria i l’energia responen de la mateixa manera a la gravetat. “Si voltes pels passadissos d’aquest departament i ho preguntes als físics, tots et diran que aquest resultat no és gens sorprenent”, diu Jonathan Wurtele, físic de la Universitat de Califòrnia (Berkeley), en un comunicat fet públic per aquesta institució. Ell va ser el primer que fa una dècada va proposar aquest experiment a Fajans. “Aquesta és la realitat –afegeix–. Però la majoria d’ells també et diran que l’experiment s’havia de fer perquè no se’n pot estar segur mai. El resultat contrari hauria tingut importantíssimes repercussions”.

Una imatge invertida del món

El 1928, en un dels exemples més sorprenents de com la natura segueix les regles de les matemàtiques, el físic Paul Dirac va descobrir que una equació de la mecànica quàntica que descrivia l’electró tenia dues solucions. Segons una, l’electró tenia una càrrega negativa; aquesta partícula és el cavall de batalla de la química i l’electricitat. Segons l’altra solució, la partícula tenia una càrrega positiva.

Què era aquella partícula? Dirac es va pensar que era el protó, però J. Robert Oppenheimer, més tard famós per la bomba atòmica, va apuntar que es tractava d’una partícula totalment nova: un positró, idèntic a un electró però amb càrrega positiva. Al cap de dos anys Carl Anderson, de l’Institut Tecnològic de Califòrnia, va detectar positrons a les pluges de rajos còsmics, un descobriment que li va valer el premi Nobel de física.

I així va néixer l’atractiu de l’antimatèria. Als protons amb càrrega positiva, que dominen els nuclis atòmics, els corresponen els antiprotons amb càrrega negativa. Els antielectrons reben la denominació de positrons. Els neutrons, que també resideixen en nuclis atòmics, tenen antineutrons. Els quarks que formen els protons tenen antiquarks, etc.

En principi, hi podria haver antimons sencers habitats per antiéssers. Segons un famós acudit, si coneguéssim el nostre antijo, aquella persona ens allargaria la mà esquerra per fer una encaixada, però valdria més que no l’hi agaféssim perquè tots dos explotaríem.

El que als científics els entusiasma de l’antimatèria no consisteix només a anar afegint coses a una llista de partícules amb noms estranys. Per a ells estudiar els àtoms d’antihidrogen és el primer pas per posar a prova algunes de les hipòtesis més profundes sobre la natura, que afirmen que l’antimatèria ha de tenir un aspecte i un comportament idèntics als de la matèria normal.

Llargs experiments

Durant aquests últims vint anys, els científics del grup ALPHA han anat recollint antimatèria al CERN, manipulant antiprotons d’alta energia de les col·lisions al Gran Col·lisionador d’Hadrons i alentint-les per passar de la velocitat de la llum a la d’uns quants centenars de centímetres per segon, i a una temperatura d’uns 15 graus sobre el zero absolut. Aleshores barregen els antiprotons amb un núvol d’antielectrons, o positrons, produïts per la desintegració del sodi radioactiu, en el que anomenen una trampa controlada per camps elèctrics.

L’hidrogen normal, l’element més senzill i abundant de l’Univers, consisteix en un protó amb càrrega positiva i un electró amb càrrega negativa. L’experiment de l’equip ALPHA dona com a resultat uns quants àtoms d’antihidrogen: el nucli és un antiprotó envoltat per un positró.

El 2002 Hangst va informar que aquests àtoms d’antihidrogen emetien i absorbien llum a les mateixes freqüències i longituds d’ona que l’hidrogen normal, tal com hauria predit Einstein. Des de llavors molts experiments, tots indirectes, han apuntat amb insistència que l’antimatèria també gravita normalment, com deia Fajans. Però aquests experiments no van ser concloents, perquè la gravetat té menys d’una bilionèsima part de força que els camps electromagnètics utilitzats per manipular els antiàtoms.

Antimissatges en una ampolla

A l’últim experiment els àtoms d’antihidrogen estaven confinats en una trampa magnètica dintre d’un recipient metàl·lic d’uns 25 centímetres de llarg. Atès que, com l’hidrogen, els àtoms d’antihidrogen tenen un lleuger camp magnètic propi, reboten contra les parets d’aquesta ampolla.

Els camps magnètics també es poden ajustar per contrarestar la gravetat i deixar en suspensió els àtoms d’antihidrogen a l’ampolla.

A l’experiment, quan la intensitat dels camps magnètics va anar baixant a poc a poc, els àtoms finalment es van escapar i es van autoaniquilar amb un esclat contra les parets de la cambra. Al voltant del 80% d’aquests esclats es van produir sota la cambra, segons les anàlisis estadístiques. Això fa pensar que la gravetat normalment atreu els antiàtoms cap avall, tal com faria amb la matèria normal.

Qualsevol violació de la simetria prevista entre l’hidrogen i l’antihidrogen hauria sacsejat la física fins als seus fonaments.

Però com diu Wurtele, això no ha passat: “Amb aquest experiment és la primera vegada que es mesura directament la força de la gravetat sobre l’antimatèria neutra. És un pas més en el desenvolupament del camp de la ciència de l’antimatèria neutra”.

Per què hi ha matèria?

Però el resultat deixa pendent de resposta un altre enigma. Segons la relativitat i la mecànica quàntica –les dues teories en disputa que regeixen l’Univers–, el Big Bang hauria d’haver creat la mateixa quantitat de matèria que d’antimatèria, i totes dues s’haurien d’haver aniquilat mútuament fa molt de temps. Això no obstant, el nostre univers és tot matèria, sense que es pugui trobar cap partícula d’antimatèria fora de les pluges de rajos còsmics i les col·lisions del col·lisionador de partícules. Aleshores, què va passar? Per què el cosmos conté alguna cosa en lloc de no contenir res? Ja fa gairebé un segle que la pregunta està pendent de resposta.

Un experiment fet al Japó fa tres anys amb aquestes estranyes partícules denominades neutrins va oferir el que podria ser una pista per al desequilibri còsmic. Al Gran Col·lisionador d’Hadrons es dedica tot un instrument, anomenat LHCb, a buscar qualsevol diferència entre la matèria i l’antimatèria que pogués haver decantat l’equilibri còsmic. Quan li van preguntar si els resultats de l’experiment de l’equip ALPHA oferien alguna informació útil per a l’equip de l’LHCb, Wurtele va contestar: “Com que la nostra resposta és coherent amb la gravetat normal, crec que, per desgràcia, l’experiment no els donarà cap pista”. Que és una altra manera de dir que encara no sabem per què som aquí.