En el año 1666, una manzana que caía de un árbol inspiró a Isaac Newton a pensar en la gravedad. Es más bien una imagen mítica, una leyenda, pero es todo un icono de la ciencia que nos permite recordar el hallazgo del británico. Más de tres siglos después, científicos del CERN están observando otra “caída” igual de significativa, pero mucho más difícil de captar: la de la antimateria. ¿Cae igual que la materia común? ¿Sigue las mismas leyes físicas? Estas preguntas, que parecen sacadas de la ciencia ficción, están siendo abordadas con una tecnología tan sorprendente como precisa: un detector hecho con sensores de móviles, capaz de registrar detalles minúsculos con una nitidez sin precedentes.
El reciente trabajo de la colaboración AEgIS ha conseguido algo que parecía inalcanzable hasta hace muy poco: medir con precisión submicrométrica dónde se aniquilan los antiprotones al impactar contra una superficie. Según se describe en el artículo publicado en Science Advances, esto abre la posibilidad de observar directamente cómo afecta la gravedad a átomos de antihidrógeno, un paso crucial para verificar si la antimateria obedece la misma física que la materia ordinaria. Como señalan los autores, esta tecnología representa un avance fundamental para alcanzar los objetivos científicos de AEgIS.
¿Por qué importa cómo cae la antimateria?
La gravedad es una de las fuerzas más familiares de la naturaleza, pero sigue siendo una de las menos entendidas. La teoría de la relatividad general de Einstein ha sido confirmada con extraordinaria precisión en muchos contextos, pero nunca se había podido medir directamente su efecto sobre la antimateria. Y esto es importante, porque si la antimateria reaccionara de forma diferente a la gravedad, muchas bases de la física actual podrían estar incompletas o equivocadas.
La clave de esta cuestión está en el principio de equivalencia débil, que afirma que todos los cuerpos, independientemente de su composición, caen con la misma aceleración en un campo gravitatorio si no hay otras fuerzas actuando. Aunque este principio se ha probado miles de veces con distintos tipos de materia, probarlo con antimateria ha sido extremadamente difícil. La producción de partículas como el antihidrógeno es limitada, y su manipulación requiere condiciones controladas y tecnologías avanzadas.
El experimento AEgIS del CERN, junto a otros como ALPHA-g y GBAR, pretende cerrar esa brecha. Su objetivo es medir con precisión la aceleración gravitatoria de átomos de antihidrógeno, comparándola con la de la materia ordinaria. Pero para lograrlo, hace falta una herramienta con una precisión extraordinaria, capaz de registrar lo que ocurre cuando el antihidrógeno se aniquila tras recorrer un trayecto bajo la influencia de la gravedad.
Una cámara de móvil para ver el mundo invisible
La solución propuesta por los investigadores de AEgIS es sorprendente: un detector basado en sensores de cámaras comerciales, como los que se encuentran en los teléfonos móviles. Estos sensores, del tipo CMOS, fueron modificados para hacerlos sensibles a partículas muy energéticas y para eliminar elementos que normalmente interfieren con su funcionamiento, como los filtros de color y las microlentes.
El resultado fue un detector con una resolución de 0,62 micrómetros, algo 35 veces mejor que lo logrado con tecnologías anteriores en tiempo real. Como explica el paper, “hemos demostrado que es posible detectar aniquilaciones de antiprotones usando un sensor comercial de cámara móvil”. Este nivel de precisión permite reconstruir la posición exacta donde ocurrió una aniquilación, incluso cuando las partículas secundarias generadas se propagan en distintas direcciones.
Los investigadores expusieron el sensor a un haz de antiprotones durante varios días, registrando más de 2.600 eventos de aniquilación. Cada uno de estos eventos dejaba una especie de “estrella” de trazos visibles en la imagen captada por el sensor. A partir de esas imágenes, y con la ayuda de un equipo de voluntarios que las analizaron manualmente, se pudo determinar la ubicación del “vértice” donde ocurrió cada aniquilación con una precisión sin precedentes.
Cómo se reconstruye una aniquilación
En cada evento de aniquilación, el antiprotón impacta contra un núcleo atómico y desaparece, generando una lluvia de partículas secundarias como piones, protones y fragmentos nucleares. Estas partículas dejan diferentes tipos de marcas en el sensor: trazos rectos, elípticos, finos o gruesos, según su energía y su tipo. El análisis detallado de estas marcas permite reconstruir hacia atrás la trayectoria de cada partícula hasta encontrar el punto de origen común: el vértice de aniquilación.
Para lograr esto, los autores usaron un enfoque novedoso: en vez de confiar en algoritmos automáticos, recurrieron a un grupo de ocho investigadores que analizaron manualmente cada evento. Según se explica en el artículo, “las reconstrucciones del vértice realizadas por distintos voluntarios para el mismo evento difieren típicamente en menos de un píxel”. Al promediar sus estimaciones, lograron una resolución de 0,36 micrómetros, una hazaña notable considerando que el sensor fue diseñado originalmente para tomar fotos con luz visible.
Además, los investigadores desarrollaron una técnica para calibrar la posición del sensor en relación con una rejilla conocida, lo que permitió corregir pequeñas desviaciones debidas a cambios de temperatura o presión durante la toma de datos. Este sistema de calibración reducía significativamente los errores sistemáticos, algo crucial en experimentos donde se buscan desviaciones mínimas del comportamiento esperado.
Un paso clave hacia medir la gravedad del antihidrógeno
El verdadero objetivo del experimento AEgIS no es detectar antiprotones, sino medir con precisión cómo cae el antihidrógeno. Este átomo, formado por un antiprotón y un positrón, es neutro desde el punto de vista eléctrico, lo que lo hace ideal para estudiar la gravedad sin interferencias de campos electromagnéticos. El problema es que es difícil de producir, de manipular y de detectar.
Con el nuevo detector basado en sensores de cámara, ahora es posible medir dónde se aniquila el antihidrógeno con la misma precisión que antes solo se lograba con emulsiones fotográficas, pero en tiempo real. Esto significa que se puede observar cómo se desplaza verticalmente el haz de antihidrógeno al pasar por un deflectómetro de rejillas, y calcular así su aceleración gravitatoria.
“El sensor permite medir la posición de las aniquilaciones con una precisión que cumple con los requisitos para alcanzar una medición al 1% de gH”, afirman los autores. Esto es esencial, ya que las desviaciones esperadas si la antimateria no cumpliera el principio de equivalencia son del orden del 1% o menos. Si la aceleración medida para el antihidrógeno fuera distinta a la de la materia común, estaríamos ante un descubrimiento profundo con implicaciones para la física fundamental.
Más allá de la antimateria: nuevas fronteras tecnológicas
La tecnología desarrollada para este experimento tiene aplicaciones que van más allá del estudio de la gravedad en partículas exóticas. Los sensores adaptados demostraron ser eficaces para detectar positrones, antiprotones, y también luz en el rango ultravioleta extremo, lo que podría abrir nuevas vías en espectrometría, imagen biomédica y otras áreas de la física experimental.
Además, el hecho de que estos sensores sean baratos y accesibles en comparación con los detectores tradicionales, sugiere que podrían incorporarse en futuras generaciones de instrumentos científicos, incluso en campos tan dispares como la astrofísica o la medicina nuclear. “La tecnología del sensor muestra gran potencial para una amplia gama de aplicaciones”, concluyen los autores.
La capacidad de registrar con precisión eventos submicrométricos en tiempo real, combinada con la posibilidad de auto-calibración y adaptación a diferentes configuraciones experimentales, convierte a esta tecnología en una herramienta versátil. En futuras fases del experimento AEgIS, el detector se ampliará con una matriz de sensores que cubrirá un área mayor y mejorará aún más la eficiencia de detección de partículas.
Referencias
- Berghold M, Orsucci D, Guatieri F, Alfaro S, Auzins M, et al. Real-time antiproton annihilation vertexing with submicrometer resolution. Science Advances. 2 April 2025. DOI: 10.1126/sciadv.ads1176.
Cortesía de Muy Interesante
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