¿CON QUÉ FACILIDAD SE FORMA LA ANTIMATERIA?

¿Cae la antimateria como la materia ordinaria? Los experimentos del desacelerador de antiprotones del CERN, AD/ELENA, ponen a prueba las simetrías fundamentales de la física con antihidrógeno: un antiprotón ligado a un positrón, la imagen especular del átomo de hidrógeno. Entre ellos, GBAR —«Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest»— está construido para medir con qué aceleración cae el antihidrógeno en la gravedad terrestre.

La vía de GBAR es poco habitual. Otros experimentos ensamblan antihidrógeno mezclando antiprotones y positrones en una trampa. GBAR, en cambio, prevé dos etapas de intercambio de carga con positronio (Ps), un átomo exótico formado por un electrón y un positrón:

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻: un antiprotón captura el positrón y se convierte en antihidrógeno;
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: el antihidrógeno captura un segundo positrón y se convierte en un ion positivo.

Ese ion puede enfriarse con iones de berilio; después, un láser le arranca el positrón sobrante y deja átomos de antihidrógeno a unos 10 microkelvin, lo bastante fríos para un experimento de caída libre.

Conocer las probabilidades

La colaboración ya había demostrado en 2023 que la etapa 1 funciona con positronio en su estado fundamental. Pero no podía decir qué probabilidad tiene la reacción, una magnitud que los físicos llaman sección eficaz: el área efectiva del blanco que un antiprotón debe alcanzar. Sin ella, nadie puede predecir cuántos átomos producirá el experimento completo.

La reacción equivalente con materia ordinaria —un protón que toma un positrón para convertirse en hidrógeno— solo se había medido una vez, por Merrison y sus colegas en 1997, entre 11 y 16 kiloelectronvoltios.

Dos haces en una cavidad diminuta

Desde 2023, el equipo ha multiplicado por diez su ritmo de producción. Por un lado, los positrones de un pequeño acelerador se acumulan en trampas: unos 300 millones entre dos disparos de antiprotones, cada dos minutos. Alrededor de 100 millones llegan a una cavidad de unos 2 milímetros de ancho y 2 centímetros de largo, recubierta de sílice porosa que convierte parte de ellos en positronio. Cada disparo deja una nube semiconfinada de unos 6 millones de átomos de positronio.

Por otro lado, ELENA suministra paquetes de 12 millones de antiprotones. GBAR los frena, los atrapa, los enfría con electrones y luego dispara paquetes de 5 a 6 millones a través de la cavidad a 4 o 6 kiloelectronvoltios, sincronizados para cruzar la nube de positronio. Todo antihidrógeno producido es eléctricamente neutro: sigue en línea recta hasta un detector situado 1,6 metros más adelante, mientras que los antiprotones sobrantes se desvían.

Cientos de antiátomos, un número

Comparando miles de disparos con y sin positrones, el detector contó 379 ± 35 átomos de antihidrógeno a 6 keV y 69 ± 19 a 4 keV, es decir, unos 392 y 71 tras corregir la eficiencia del detector. Junto con recuentos cuidadosos de los antiprotones y de los átomos de positronio implicados, y de lo bien que se solaparon los dos pulsos en el espacio y en el tiempo, esto da la sección eficaz:

• (14,1 ± 1,3) × 10⁻¹⁶ cm² a 6,2 keV;
• (8,7 ± 2,4) × 10⁻¹⁶ cm² a 4,15 keV (incertidumbres estadísticas; las sistemáticas se detallan por separado en el artículo).

Es la primera medición de una sección eficaz de intercambio de carga realizada con haces de antiprotones, con incertidumbres menores que las de la medición de 1997 con materia ordinaria.

La teoría supera la prueba

Los primeros cálculos basados en la llamada aproximación de Born discrepaban entre sí, algo nada sorprendente, señalan los autores, ya que la energía de colisión en el sistema del centro de masas es de solo unos 6,5 electronvoltios a 6 keV. Dos métodos modernos resuelven el problema cuántico completo de tres cuerpos: el método Convergent Close Coupling y las ecuaciones de Faddeev–Merkuriev. Coinciden entre sí y, según el equipo, muestran un «excelente acuerdo» con los nuevos datos.

Lo siguiente: el ion, y luego la caída

Esto todavía no es una prueba de la gravedad. El próximo paso de GBAR es medir la segunda reacción, la que forma el ion de antihidrógeno, empezando por su análogo de materia ordinaria con iones negativos de hidrógeno de ELENA. Juntas, las dos tasas determinarán cuántos átomos ultrafríos podrá dejar caer el experimento y, por tanto, con qué precisión podrá decir si la antimateria cae como la materia.