La idea de la antimateria parece remitirnos a historias de ciencia ficción. Es más, el primer gran crossover en la historia de los cómics, la “Crisis en las Tierra infinitas” de D.C de 1985, basa en esta idea el colapso del universo conocido. Pero ¿qué es en realidad la antimateria? ¿Es una entidad real o solamente teórica? ¿Tenemos pruebas de su existencia? Trataremos de resolver estas dudas en el siguiente informe.
Resumen
- La antimateria es la versión opuesta a la materia conocida y se constituye de antipartículas.
- Las antipartículas fueron advertidas gracias a las matemáticas, como resultado de adaptar la mecánica cuántica a la teoría de la relatividad. Esto abrió la posibilidad teórica de tener partículas con cargas opuestas o, lo que es lo mismo, partículas y antipartículas.
- Poco tiempo después, se identificaron a través de experimentos las primeras antipartículas. Estas fueron observadas mediante cámaras de niebla y provenían de los rayos cósmicos que caen sobre la Tierra de manera constante. Hasta nuestros días se siguen encontrando antipartículas y antimateria, pero esta última es inestable.
- ¿Por qué hay más materia que antimateria en nuestro universo? Esta es una pregunta todavía por resolver pues la teoría del Big Bang postula que debería haberse creado la misma cantidad de materia que de antimateria en el origen del universo.
- Los físicos, sin embargo, han descubierto que, en el caso de algunas partículas, las leyes de la naturaleza parecen favorecer la presencia de materia sobre la de antimateria. Los nuevos descubrimientos, no obstante, no bastan para explicar la asimetría entre materia y antimateria que se observa en el universo.
¿Qué es la antimateria?
El mundo conocido está hecho de materia. Desde nosotros, hasta el Sol, estamos compuestos por átomos de materia. Estos, a su vez, están constituidos por partículas. Sin embargo, desde la física cuántica, integrada con una perspectiva relativista, se han postulado “versiones” de las partículas con características opuestas; es decir, antipartículas. En consecuencia, estas antipartículas constituyen la llamada antimateria.
Veámoslo con un ejemplo. El agua que consumimos está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Ahora, si nos centramos en los átomos de hidrógeno, cada uno de estos está compuesto por dos partículas: un electrón y un protón, como vemos en la imagen de abajo. De manera similar, el átomo de oxígeno está compuesto también por partículas: ocho protones, ocho neutrones y ocho electrones.
Si pensamos en la antimateria, el átomo de hidrógeno de nuestro ejemplo tiene un contrario: el antihidrógeno. Este, sin embargo, está compuesto por un antielectrón, llamado también positrón, y un antiprotón. En la imagen de abajo podemos ver la comparación entre un átomo de hidrógeno y uno de antihidrógeno.
La diferencia entre una partícula y una antipartícula reside, y así se describió en un primer momento, en su carga: el electrón tiene una carga negativa, el antielectrón la tiene positiva. De la misma manera, un protón, que tiene carga positiva, tendría su contraparte negativa. Como veremos más adelante, la existencia de las antipartículas se intuyó primero desde una perspectiva teórica y luego se comprobó a través de experimentos. Hoy, sabemos que las tres partículas de las que están compuestos todos los átomos de materia (electrones, protones y neutrones) tienen cada una su versión opuesta: antielectrones (o positrones), antiprotones y antinetruones.
Antipartículas: una predicción de la física teórica
Un punto llamativo sobre las antipartículas reside en su descubrimiento: fueron identificadas, primero, en un plano teórico. Esto gracias al lenguaje matemático que se utiliza en la física de partículas. No mucho después, tal descubrimiento fue corroborado en un plano experimental.
Para entender un poco las matemáticas detrás, debemos recordar una operación de la época escolar: X2 = 4. El valor de X en esta operación es un número que multiplicado por sí mismo nos da como resultado 4. La respuesta es doble: +2 y -2. Ambos números, al multiplicarse por ellos mismos, dan cuatro. Sobre la base de esta idea, desarrollaremos la teoría detrás de la antimateria.
(Albert Einstein en 1921. Foto: Wikimedia Commons)
A inicios del siglo pasado, Albert Einstein formuló su clásica ecuación para calcular la energía: E2 = p2c2+ mo2c4 (esta ecuación tiene una versión abreviada para los objetos que no están en movimiento, como vimos en otro informe). Para este informe, lo más importante de esta ecuación es que la energía está elevada al cuadrado (E2), es decir, es una ecuación cuadrática. Aquí volvemos a la idea inicial de esta sección: si el elemento está elevado al cuadrado, tendrá siempre una respuesta positiva y otra negativa.
Ahora, aplicado este mismo principio a la ecuación de Einstein, esto sugería la posibilidad de que haya energía negativa. Pero ¿es esto posible? En un primer momento, los físicos veían esta posibilidad a lo mucho como una curiosidad matemática. De hecho, el físico que predijo la existencia de las antipartículas, Paul Dirac, no estaba, en un inicio, conforme con la posibilidad de la energía negativa.
(Paul Dirac en 1933. Foto: Fundación Nobel)
Como explica Frank Close, profesor emérito de Física Teorética de la Universidad de Oxford y autor del libro «Antimatter», Dirac al principio buscaba evitar este enigma de la energía negativa. Por ello, intentó formular una ecuación que no dependiera de la energía elevada al cuadrado (E2), sino solo de la energía (E). Lo que a Dirac le interesaba, principalmente, era formular una teoría del electrón acorde a la teoría de la relatividad de Albert Einstein. El resultado de sus investigaciones es la hoy famosa ecuación de Dirac, que podemos ver en la siguiente imagen:
En el presente informe, no vamos a explicar al detalle esta ecuación. Si quieres conocer un poco más sobre ella, te recomendamos el video de abajo elaborado por el Instituto de Física Teorética de España. Lo importante para la finalidad de este informe es que esta ecuación abrió la posibilidad teórica de la existencia de las antipartículas. Como señala Frank Close, aunque Dirac buscaba una ecuación que excluyera la posibilidad de la energía negativa, se vio forzado a aceptarla debido a sus propios cálculo. Para Dirac, parecía que lo único que podía resolver el problema planteado por Einstein era la existencia de partículas de energía positiva y negativa. Pero ¿cómo era esto posible?
Como señala Close, Dirac tuvo una idea brillante: interpretó estas soluciones de energía negativa de tal manera que permitieran la existencia de partículas de energía positiva pero con una carga opuesta a la tradicional. En términos actuales, como las antipartículas. Así, de forma puramente teórica, Dirac halló las antipartículas (específicamente, postuló la existencia del antielectrón) y, con ello, logró anticiparse a uno de los descubrimientos más asombrosos del siglo XX.
La comprobación de la existencia de la antimateria
En 1932, un año después de que Paul Dirac propusiera la existencia del antielectrón (o positrón) en un plano teórico, Carl. D Anderson, investigador del Caltech, identificó positrones provenientes de rayos cósmicos. Para ello, echó mano de una cámara de niebla a la que añadió un campo magnético externo. En el video de abajo puedes ver un ejemplo de una cámara de niebla:
Gracia a sus experimentos, Anderson pudo observar que las partículas formaban una curva de acuerdo con su carga eléctrica: el electrón en sentido horario y su antipartícula, el positrón, en la dirección opuesta. Esta fue la primera vez en que se observó este fenómeno.
Luego de esto, los descubrimientos no han cesado hasta nuestros días. En 1955, Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, y Thomas Ypsilantis, científicos de la Universidad de California Berkeley, descubrieron el antiprotón. En 1956, otro grupo de científicos que trabajaba en la Universidad de California Berkeley descubrió el antineutrón. En 1959, Chamberlain y Segrè recibieron el Premio Nobel de Física por el descubrimiento del antiprotón.
Sin embargo, la primera vez que se obtuvo evidencia experimental de la existencia de átomos de antimateria y no solo de antipartículas fue en 1965. Aquel año, dos equipos de físicos reportaron en simultáneo la existencia del antideuterón. El antideuterón es un antinúcleo o, dicho de otra manera, el núcleo de un posible antiátomo. Este está formado por la unión de un antiprotón y un antineutrón. Su contraparte es el deuterón, que es el núcleo de un átomo de deuterio. Las observaciones del antideuterón fueron realizadas por investigadores del CERN y del Brookhaven National Laboratory en New York
Ya en los años 90, se logró crear los primeros antiátomos. En específico, se anunció la creación de nueve átomos de antihidrógeno. Esto fue el resultado del experimento PS210 en el CERN, liderado por el físico alemán Walter Oelert. Posteriormente, en 1997, un experimento similar en el Laboratorio Nacional Fermi (EEUU) replicó este resultado pues se logró crear 100 átomos de antihidrógeno.
El 14 de diciembre del 2009, la NASA detectó rayos de antipartículas producidos encima de tormentas eléctricas. Los investigadores consideran que estas antipartículas se formaron en rayos gamma producidos durante las tormentas eléctricas. Para su identificación se usó el telescopio espacial de rayos gamma Fermi (TGF).
Ahora, todas las estructuras atómicas de antimateria presentan un problema que revisaremos cuando hablemos de la antimateria como combustible: son poco estables y no sobreviven mucho tiempo. En el caso de átomo de los átomos de antihidrógeno creados en el CERN en los 90, estos tan solo duraron 40 milmillonésimas de segundo.
En el 2010, el proyecto ALPHA, conformado por científicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), reportó el resultado de 335 experimentos con antimateria. Durante estos experimentos se logró confirmar la creación de 38 átomos de antihidrógeno, que lograron ser atrapados por casi un quinto de segundo.
El 5 de junio del 2011, ALPHA reportó algo todavía más asombroso: se logró atrapar 300 átomos de antihidrógeno durante 16 minutos. Esto, según el CERN, es tiempo suficiente para empezar el estudio las propiedades del antihidrógeno en detalle.
En resumen, la identificación de estas antipartículas ocurre, de manera natural, en las tormentas eléctricas y en los rayos cósmicos; y, de manera controlada, en los laboratorios donde se trabaja con colisiones a alta energía. De manera más cercana, la identificación de antipartículas está relacionada a objetos como los plátanos que emiten un positrón cada 75 minutos o al mismo cuerpo humano, que emite antipartículas al tener el elemento potasio-40. La antimateria, es decir, las estructuras generadas por la combinación de estas antipartículas, no ha sido observada en el mundo natural, pero sí en los experimentos. El gran problema es el poco tiempo en que permanece estable.
¿Qué sucede cuando la materia y la antimateria se encuentran?
El encuentro entre materia y antimateria lleva a su mutua aniquilación en un estallido de pura energía. En este punto entramos al terreno de la radiación y debemos hablar de dos fuerzas fundamentales de la naturaleza: la fuerza débil y la fuerza fuerte. En la estructura de los átomos, la primera se encarga de separar las partículas y, la segunda, de mantenerlas unidas. Un átomo sería el producto del balance entre estas dos fuerzas. Al colisionar partículas y antipartículas, se rompe el balance y se convierten en energía. La colisión de partículas más conocida es entre positrones y electrones, y al ser esta producto de una interacción electromagnética de las fuerzas mencionadas, producirá rayos gamma.
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¿Por qué no vemos antimateria en el mundo natural?
Como señalamos en una pestaña anterior, los seres humanos hemos podido observar antipartículas en la naturaleza. Sin embargo, solamente hemos confirmado que la antimateria es posible en experimentos controlados de laboratorio. ¿Por qué sucede esto? ¿Por qué no vemos antimateria de forma natural?
Según nuestras teorías científicas actuales, en el origen del universo debió haber partículas y antipartículas en las mismas proporciones. Sin embargo, es evidente para el observador que el universo conocido está compuesto principalmente por materia y no por antimateria. Los científicos no tienen claro el porqué de esta asimetría, pero existen dos hipótesis que han intentado brindar una respuesta. Veamos cada una de ellas.
La primera postula que existen regiones del universo compuestas de antimateria, solo que aún no las hemos descubierto. Así como en nuestra región del universo vemos principalmente materia, en otras partes la antimateria predominaría sobre la materia. Así, por ejemplo, habría galaxias y planetas compuestos por antimateria.
Esta hipótesis, sin embargo, no goza de gran aceptación. Como explica Don Lincoln, físico del Laboratorio Nacional Fermi de los Estados Unidos, si hubiese galaxias de antimateria, los astrónomos sería capaces de percibir dos clases de rayos gamma con un tipo de energía única. Los investigadores, no obstante, no han podido observar estos rayos gamma, por lo que se suele descartar la existencia de galaxias de antimateria.
La segunda hipótesis que explica la asimetría entre materia y antimateria es la más aceptada por los físicos en la actualidad. De acuerdo con el CERN, es posible que, en los inicios del universo, las partículas de materia y antimateria hayan entrado en contacto y se hayan aniquilado mutuamente hasta que quedó solo una pequeña cantidad de partículas. Quizás, por cada mil millones de pares de partículas y antipartículas, sobrevivió tan solo una partícula de materia. Una en mil millones. A partir de estas partículas supervivientes es que se habría generado el universo que conocemos.
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Pero ¿por qué sobrevivieron más partículas que antipartículas? Si las antipartículas desaparecieron al interactuar con las con su contraparte de materia en el origen del universo, ¿por qué no desaparecieron las partículas en la misma proporción? Los físicos han postulado que las leyes de la naturaleza podrían favorecer más a la presencia de partículas que a la de antipartículas. De acuerdo con el CERN, en las últimas décadas, los experimentos han mostrado que las leyes de la naturaleza no aplican de manera equivalente a las partículas y las antipartículas. De hecho, se ha observado que existen «partículas oscilantes». Esto significa que, de manera espontánea, algunas partículas se convierten en antipartículas y viceversa. Estas partículas oscilantes pueden pasar de un estado a otro millones de veces antes de decaer finalmente como partículas o antipartículas. Al parecer, las leyes de la naturaleza ocasionan que estas partículas oscilantes decaigan más veces en su versión de materia que como antimateria. Veamos un ejemplo para ilustrar esta idea.
Cuando tiramos una moneda, antes de saber si cayó como cara o como sello, oscila entre estos dos estados. En principio, debería haber un 50% de probabilidades de que la moneda caiga como cara y otro 50% de que caiga como sello. Sin embargo, supongamos que existe una máquina tal que, si tiras la moneda en ella, nos asegura que el 80% de las veces el resultado va a ser cara. Algo similar, explica el CERN, puede haber ocurrido con la materia y la antimateria. Podría haber un mecanismo desconocido que haga que las partículas «oscilantes» decaigan más veces como partículas de materia que como su versión de antimateria. Sin embargo, esta es solo una hipótesis y aún no tenemos una respuesta certera. Los descubrimientos que hemos hecho hasta la fecha, si bien parecen sugerir que las leyes de la naturaleza favorecen la presencia de partículas, no son suficientes para explicar la enorme asimetría que hay en el universo entre la materia y la antimateria.
¿Para qué sirve hoy la antimateria?
En la actualidad, todavía no podemos encontrar tantas aplicaciones prácticas de las antipartículas, pero su estudio nos abre posibilidades que podrían ser de gran importancia para la humanidad en un futuro. En esta sección revisaremos tres casos: las tomografías por emisión de antipartículas, la destrucción de células cancerígenas y su utilización como combustible. De las tres que revisaremos, la primera ya se utiliza en medicina y las dos últimas todavía se están investigando.
Tomografías con antipartículas
La primera aplicación que revisaremos es la de antipartículas para generar imágenes detalladas del interior del cuerpo. Este es el caso de un escáner TEP/RM. Esta tecnología se encarga de generar imágenes del cuerpo por la combinación de dos técnicas: una tomografía por emisión de positrones (TEP) y una resonancia magnética (RM). Cómo interactúan: se le suministra al paciente un marcador vía intravenosa, es decir, una sustancia que permite identificar dónde se concentra la actividad celular de órganos y tejidos. Sobre este marcador, se emiten los positrones. Como mencionamos líneas arriba, estos generan actividad en el campo electromagnético, por lo que pueden ser detectados por la RM que identifica actividad por medio de imanes. Al unir dicha información, se producen imágenes de alta precisión en tres dimensiones sobre la zona en la que se realiza el examen. La gran ventaja de este tipo de escáner es su alta precisión en detectar tejidos afectados en los órganos.
(Equipo para realizar una tomografía por emisión de positrones. Foto: Andreas Praefcke)
Tratamiento contra el cáncer con antiprotones
La ventaja del uso de antiprotones para eliminar células cancerígenas reside en su capacidad para destruirlas. En esencia, si pudiésemos tratar las células de un paciente con antiprotones, estas antipartículas harían contacto con los protones o neutrones de las células cancerígenas. Esto generaría su autoeliminación en un estallido de energía pura y, por consiguiente, la destrucción de la célula cancerígena. Con este tratamiento, se reduce el daño al tejido sano y se abandonarían las terapias tradicionales de quimio y radioterapia.
El Antiproton Cell Experiment (ACE) fue un proyecto en el que participaron diez centros de investigación de todo el mundo. Incluyó la participación de biólogos, físicos y médicos coordinados por el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN). Esta investigación sobre la utilización de antiprotones para eliminar células cancerígenas inició en el 2006 y culminó en el 2013. Aunque este estudio ha dado resultados prometedores, mostrando que se podría reducir significativamente el daño a tejidos sanos en el tratamiento del cáncer, el CERN explica que el proceso de validación para un nuevo tratamiento médico es largo, por lo que podría tomar varios años para que veamos el primer caso de esta aplicación de las antipartículas.
Combustible
La antimateria podría ser una fuente de combustible en el futuro. En la ciencia ficción, esta idea ya ha sido explorada. Por ejemplo, la nave estelar Enterprise de la franquicia Star Trek se propulsa por la interacción de materia y antimateria. En la vida real, sin embargo, todavía enfrentamos dos problemas importantes: su obtención es poco eficiente y es difícil mantenerla estable. En primer lugar, para producir un gramo de antimateria se necesitan altas cantidades de energía, que se produciría en laboratorios. Según un cálculo de hace dos décadas de la NASA, un gramo de antimateria costaba alrededor de US$ 60 billones. Sería, sin más, el combustible más costoso. En segundo lugar, y como se mencionó anteriormente, mantener este material estable es otro reto. Sin embargo, en la actualidad diversos científicos se encuentran estudiando esta posibilidad ya que, según la NASA se trata del combustible más potente conocido. Esta institución afirma que tan solo algunas decenas de miligramos de antimateria podrían propulsar una misión humana a Marte. Esto en contraste con las toneladas de combustible tradicional que serían necesarias.
(Representación de la propulsión por antimateria. Imagen: LLC)
