El lío de la gravedad y la antimateria


Hay un gran revuelo con un resultado que se publicó ayer sobre “el comportamiento gravitatorio de la antimateria”.

Ya he leido sobre antigravedad, sobre si la antimateria en vez de caer en un campo gravitatorio subiría, y mil cosas más. Pero ¿qué dice de verdad el artículo que todo el mundo referencia? ¿qué se puede concluir?

Un adelanto: Lo único que se puede concluir es que hay que mejorar las medidas y que todavía no hay una respuesta definitiva. Pero todo parece indicar que la gravedad actúa de igual forma para materia y antimateria.

Los datos obtenidos en el experimento ALPHA no son definitivos, hay mucho error pero lo bueno es que se ha abierto la posibilidad de una comprobación experimental directa de este asunto.

El artículo

El artículo en cuestión en el que se van a basar todas las noticias que vamos a ver hasta la saciedad en los medios es el siguiente:

Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen

(Descripción y una primera aplicación de una nueva técnica para medir la masa gravitacional del antiHidrógeno)

Este artículo es parte de la colaboración del experimento ALPHA del CERN.

¿Qué objetivo persigue este trabajo?

Ya expusimos en el blog la filosofía que existe detrás de este trabajo en la entrada: Qué traviesa la antimateria, ¿cae hacia arriba o hacia abajo?

Para empezar, hay que hablar de masa inercial y masa gravitatoria.

Masa inercial

Tomemos la ley de Newton:

F=Ma

En esta expresión, para una fuerza F dada, cuanto mayor sea la masa del cuerpo, menor será la aceleración producida.  Así que, la masa en esta expresión nos da cuenta de la resistencia que presenta un cuerpo a acelerar (cambiar su estado de moviiento) bajo la acción de una fuerza.

Masa gravitatoria

Sabemos que todos los cuerpos están sometidos a la gravedad. Esta se puede representar como una aceleración, g,  (el famoso 9.8m/s^2) en situaciones usuales. Podemos decir que la fuerza gravitatoria se puede expresar como:

F_g=M_g g

En este caso, la M_g es la propiedad que tienen los cuerpos para sentir la gravedad, sería la carga gravitatoria del cuerpo. En principio, esta “carga gravitatoria” no tiene por qué ser igual a la masa inercial. Por ejemplo, en el caso eléctrico, la carga de un cuerpo no es lo mismo que su masa.

Principio de equivalencia, versión débil

Se nos dice que todos los cuerpos caen con la misma aceleración bajo la acción de la gravedad independientemente de su composición.  Esto tiene una relación curiosa con las expresiones anteriores.

  • Si tenemos un cuerpo sometido a la fuerza gravitatoria:

F_g=M_g g

  • Por la segunda ley de Newton, esa fuerza será el producto de la masa inercial por la aceleración producida, en este caso la gravitatoria:

F_g=M a_g

  • Así que igualando esas expresiones y sabiendo que a_g=g:

M_g g= M a_g

\dfrac{M_g}{M}=\dfrac{a_g}{g}=1

Esto nos indica justamente que la masa inercial y la gravitatoria han de ser de la misma magnitud. El campo gravitatorio toma su carga de la inercia de los cuerpos.

¿Pero esto tiene que ser así?

El principio de equivalencia es justamente eso, un principio. No tenemos ninguna razón fundamental, por el momento, para que la inercia de un sistema y su carga gravitatoria sean lo mismo.

En esta situación, es pertienente preguntarse si esto es también así en el caso de la antimateria. Para refrescar la memoria sobre qué es la antimateria, os dejamos estas dos entradas:

Pildorazo: Antimateria. Breve comentario acerca de qué es antimateria.

Cuando los sueños se hacen realidad.  Entrada más profunda sobre la antimateria y la primera vez que fue detectada.

Veamos qué dice el artículo.

Antihidrógeno

El estudio emplea antihidrógeno. Este es el átomo formado por un antiprotón y un antielectrón. Este sistema es difícil de mantener, porque cualquier interacción con otro átomo, electrón, protón, etc, lo desintegra.

Lo bueno es que es un sistema neutro desde el punto de vista eléctrico. Esto posibilita que no esté sometido a campos electromagnéticos que hace más difícil su control.

¿Qué se estudia?

Lo que han estudiado es la caída libre de 434 átomos de antihidrógeno en su estado fundamental de energía.  Eso posibilitaría, en principio, estudiar el cociente entre la masa gravitatoria y la masa inercial de estos sistemas.

En el artículo, a este cociente se refieren con la letra F:

F=\dfrac{M_g}{M}

Para tener una referencia, la masa inercial M se toma como la masa del hidrógeno. Esto está justificado porque cualquier antipartícula tiene la misma masa que su partícula asociada.

Lo que se ha descubierto en este experimento es que esta F<110 (con los errores experimentales).  Los errores soy muy altos, por lo que no podemos concluir nada acerca de este tema.

También se imponen cotas a que F sea negativa, están excluidos valore de F<-65, lo cual implicaría que la masa gravitatoria, la carga gravitatoria, tendría signo negativo lo que implicaría que este sistema sentiría un efecto repulsivo de la gravedad.

Se hizo una simulación tomando F=100 y se encontró esto:

  • Se estudia la aniquilación de los átomos de antihidrógeno.
  • Se simulan 10000 sucesos = Puntos verdes.
  • Se estudia el tiempo de aniquilación (eje horizontal) y la posición vertical de la aniquilación (eje vertical).
  • Dado que F=100 hay una tendencia a aniquilarse en la mitad inferior del eje Y. (El promedio está dado por la línea sólida).
  • Los puntos rojos son los datos reales obtenidos de los 432 átomos de antihidrógeno de la muestra.

Sobre estos datos y simulaciones se hace un estudio de los errores y de la confianza estadística de los resultados.

Concluyendo

Lo que este artículo pone encima de la mesa es que el cociente entre la masa gravitatoria y la masa inercial del antihidrógeno tiene que estar comprendida entre:

-65<F<110

Sin entrar en detalles de los errores experimentales, influencia de partículas no comprobadas, artefactos experimentales no considerados, etc, que no son poco importantes, yo diría que ahí todavía no se puede concluir mucho.

Así que cuando leamos en los medios sobre antimateria, gravedad, antigravedad, etc… No le hagamos mucho caso.  Lo importante de este artículo es que se ha establecido un método experimental que nos permite estudiar directamente el efecto gravitatorio en la antimateria. Seguro que mejoran el procedimiento experimental y en un futuro próximo estos resultados serán mejorados enormemente.

Para finalizar una frase de las conclusiones del artículo:

Obviously, our limits are far from the F=1 regime where one could test for small deviations from the weak equivalence principle, but the methodology described here,coupled with planned and ongoing improvements to the ALPHAapparatus, should allow us to improve the measurement substantially.

Obviamente, nuestro límites están lejos del régimen F=1 (el interesante) donde uno podría comprobar la presencia de pequeñas desviaciones del principio de equivalencia débil, pero la metodología descrita aquí, junto con los planes de mejoras en el aparato ALPHA, nos deberían de permitir mejorar las medidas de manera sustancial.

Esperemos que esta noticia no se saque de contexto y no se presente como lo que no es.

Nos seguimos leyendo…

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14 Respuestas a “El lío de la gravedad y la antimateria

  1. ¿Que es aceleración? ¿Que acción reacción?
    Expongo.
    Un ejemplo de aceleración.
    Estamos en una nave en el espacio, sentados en nuestros asientos echamos a funcionar nuestros cohetes, y aceleramos, sentimos el efecto de inercia hacia atrás en los respaldos, sabemos que nos movemos, y en qué dirección en el universo, (Aceleración)

    Caída libre.
    Seguimos en la misma nave, pero esta vez, nos dirigimos hacia la tierra con nuestros cohetes apagados, pero en caída libre.
    Lo curioso es que, la gravedad de la tierra acelera la nave, pero en nuestros asientos no sentimos el efecto de inercia que correspondería a esa aceleración.

    En su jardín Hay un señor tendido en su hamaca, ve como se acerca la nave en su caída libre, el si siente la gravedad de la tierra en su espalda, la misma sensación que nuestro piloto cuando aceleraba, (mientras el piloto no la siente).
    Si todo es relativo, cuál de los dos acelera.
    ¿Que es la aceleración? ¿Que es la graveda?

    Cuando un objeto se mueve a velocidad constante en el espacio, la única referencia que tenemos es con respecto a otro objeto.
    Si girase con energía centrifuga, la referencia seria con respecto a su centro.
    Si ese objeto, en vez de velocidad, acelerase, la única referencia seria con el conjunto del universo.
    Pienso que toda acción es relativa de otras referencias.
    (Causa y efecto). (Acción reacción).

    Julián Luque

  2. Que lindo tu blog! te felicito, me entretuve bastante leyendo todo 🙂

  3. La masa es uno de los conceptos fundamentales en el conocimiento científico, al igual que el concepto de carga eléctrica, espacio y tiempo. Pero aunque parezca paradójico tanto la masa, como el espacio, como el tiempo y la carga eléctrica son conceptos básicos que no se entienden. ¿Cómo es posible esto?. En este post trataré solamente de la masa. ¿No es la masa la cantidad de materia que hay en un cuerpo?, pues va a resultar que no es tan sencillo. En la teoría de Newton la masa aparece de dos formas diferentes, una como masa gravitatoria y otra como masa inercial. La masa gravitatoria (Mg) es la propiedad que tiene un cuerpo de atraer a otro mediante la fuerza gravitatoria. La masa inercial (Mi) mide la resistencia que presenta un cuerpo a cambiar su estado de movimiento cuando se aplica una fuerza. Es decir, se resiste a acelerarse, a mayor masa menor aceleración. Y esta masa podría depender de la composición química del cuerpo, de su temperatura o otra variable desconocida. Pues bien, aunque en principio parecen propiedades distintas, experimentalmente la masa gravitatoria y inercial de un cuerpo son iguales. Este resultado se conoce como principio de equivalencia débil.

  4. No puedo entender porque tanto alboroto, cuando el CERN ya está construyendo un experimento específicamente para ello, AEgIS, que será mucho mas preciso.
    Que de hecho recientemente terminaron de montar, y dará resultados en un futuro próximo (después del 2015).

    http://home.web.cern.ch/about/updates/2013/01/aegis-completes-installation

    Todo lo tienen que agrandar estos medios amarillistas??

  5. ¿entre -65 y +100? Sospecho que el resultado al final terminará por dar 1…

    • Es que el experimento ALPHA no está diseñado para hacer dichas medidas. Las han hecho como prueba de viabilidad, supongo que ahora mejorarán los aparatos y las medidas serán más precisas. Además, en el CERN hay otros dos proyectos que van a estudiar esto entre otras cosas.

  6. Lo que me mosquea un poco es que en hace muchos años un conferenciante del CERN dijo que esto ya se media de cuando en cuando, supongo que refiriendose al SPS en su epoca proton/antiproton.

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