Antimateria

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En oposición a la materia convencional, las partículas elementales de antimateria tienen carga eléctrica opuesta a la normal. Un átomo de antimateria está compuesto por antiprotones de carga negativa en el núcleo y positrones de masa idéntica a los electrones pero de carga positiva que orbitan alrededor del núcleo.

Cuando una partícula y su anti-partícula correspondiente entran en contacto, se produce el fenómeno de la aniquilación en el que se transforma la materia en energía que se emite en forma de rayos gamma de alta energía.

Tabla de contenidos

Descubrimiento de la antimateria

Hace casi 80 años el físico inglés Paul Dirac logró una formulación para el comportamiento del electrón en que se mezcló la, entonces, recién descubierta mecánica cuántica con la relatividad de Einstein. Una predicción de la teoría de Dirac fue la existencia de la antimateria y Carl Anderson, en 1932, en un trabajo de experimentación confirmó la teoría de Paul Dirac al detectar la existencia de un positrón al hacer chocar rayos cósmicos.

Los resultados del trabajo de Dirac implicaban que todas las partículas que encontramos en la naturaleza se presentan por pares, cuyas propiedades son idénticas, salvo una (generalmente el signo de la carga eléctrica), y que la unión (aniquilación) de una partícula con su antipartícula produce energía. Inversamente, partículas o fotones de luz de muy alta energía al interaccionar con la materia producirían pares partícula-antipartícula, convirtiendo energía en masa.

Así, en base a la simetría de las leyes de la física, se ha podido deducir que en la gran explosión que dio origen al universo (el llamado Big-Bang), la enorme energía inicial debió dar como resultado cantidades iguales de materia y antimateria.

Gracias a los potentes aceleradores de partículas, la antimateria viene siendo producida en laboratorios desde mediados los años 50. Sin embargo, aún no se ha conseguido detectar una abundante fuente natural de antimateria.

Origen de la antimatería

Como se ha expuesto, dado que la materia y la antimateria son equivalentes en todos los aspectos excepto en su oposición electromagnética, cualquier fuerza que crease una originaría la otra, y el universo debería estar compuesto de iguales cantidades de ambas.

Inmediatamente después del Big Bang comenzó una vertiginosa expansión. Al cabo de un segundo, la densidad y la temperatura se habían reducido a la décima parte de la inicial y comenzaron a formarse protones, neutrones, antiprotones, etcétera.

Los modelos propuestos coinciden en sugerir que, en un instante dado, la gran mayoría de las partículas de materia y de antimateria se aniquilaron, produciendo una radiación de fondo, descubierta hace pocos años por los investigadores A. Pensias y R. Willson. Sin embargo no todas las partículas se aniquilaron; muchas, al alejarse entre ellas, evitaron este final y evolucionaron dando lugar a las estructuras atómicas y estelares que conocemos.

Resulta muy difícil determinar a través de observaciones astronómicas a distancia si una lejana galaxia está hecha de materia o de antimateria, debido a que ambas producen emisiones electromagnéticas idénticas y tienen los mismos efectos gravitatorios.

Detección de antimatería

La aniquilación de electrones con positrones produce una emisión de rayos gamma de una energía característica de 511 kiloelectronvoltios (511 KeV), 250.000 veces superior a la energía de la luz visible normal. De esta forma, la detección de estos rayos gamma equivale a la de la antimateria correspondiente.

En los años 70 ya se habían hecho observaciones relativas a la posible presencia de una radiación gamma de esas características en el centro de nuestra propia galaxia, cercana a un agujero negro allí existente conocido como El Gran Aniquilador.

En abril de 1991 se puso en órbita el Observatorio de Rayos Gamma Compton, uno de cuyos instrumentos es el OSSE (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment), 10 veces más sensible a los rayos gamma de 511 keV que los instrumentos anteriormente existentes.

En 1997 finalmente se pudo detectar una gran cantidad, desconocida e inesperada, de radiación gamma de 511 keV, en forma de verdaderas "nubes de antimateria" (en concreto, nubes de positrones), situadas en el centro de nuestra Galaxia, a 3000 años-luz de distancia.

El origen de la nube detectada de antimateria particulada podría deberse a diversas posibilidades: explosiones simultáneas de múltiples estrellas, eyección de antimateria particulada desde un disco de acreción de algún agujero negro cercano al centro de la Vía Láctea, la fusión de dos estrellas de neutrones, o incluso su producción por una fuente enteramente diferente.

Para intentar aumentar nuestro conocimiento acerca del origen de la antimateria se prevé para el 2007 la puesta en funcionamiento de un nuevo proyecto, el AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), consistente en un instrumento que distingue las partículas de las antipartículas y que será instalado en la Estación Espacial Internacional (EEI).

El proyecto se basa en el hecho de que las estrellas, además de luz, emiten una pequeña cantidad de las partículas de las que están compuestas. Esas partículas, que incluyen núcleos atómicos, viajan luego por el universo y constituyen lo que se conoce como la radiación cósmica.

Estudiando la fracción de estas partículas que llegan a la Tierra se obtendrían datos interesantes acerca de la predominancia o no de la materia sobre la antimateria. Naturalmente, la búsqueda de esta antimateria debe realizarse más allá de la atmósfera terrestre, ya que al interaccionar con ella las antipartículas se aniquilarían.

En cualquier caso, aún no se han encontrado evidencias de formaciones complejas de antimateria como estrellas o galaxias. En espera de una evidencia experimental, existen diversas teorías para tratar de explicar dónde está la antimateria que no detectamos y por qué sobrevivió la materia que nos rodea y de la cual estamos hechos.

Teorías

Teoría de la simetría

La primera posibilidad es que durante la expansión original se dieran pequeñas inhomogeneidades espaciales en las que la materia o la antimateria resultaran dominantes. Estas zonas se habrían separado, aniquilándose toda la materia y la antimateria intermedia. Así, actualmente, existirían en el universo cantidades iguales de materia y de antimateria confinadas, obviamente, en regiones distantes entre sí.

Sin embargo, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas de aniquilamiento resultantes en las zonas de encuentro. Los rayos gamma, que se observan como radiación de fondo del universo, son interpretados por algunos como el producto secundario de esta aniquilación. Otros fenómenos energéticos como cuasares o núcleos de galaxias activas podrían ser atribuidos también a la aniquilación, pero esto parece poco probable.

Teoría de la asimetría originaria

Según otra teoría, en cambio, en el origen del universo existía ya un leve excedente de materia sobre antimateria. Como resultado de este desequilibrio, la antimateria habría sido totalmente destruida por la aniquilación y el universo actual estaría constituido por el residuo de materia superviviente.

Resulta por lo tanto aceptado que partículas y antipartículas se habrían mezclado en esos instantes iniciales, aniquilándose en una explosión de rayos gama. La brillantez de la llamada radiación de fondo, de cerca de mil millones de fotones por cada partícula de materia, indicaría que efectivamente existió una gran aniquilación de materia y antimateria, pero no aporta una prueba concluyente a favor de una u otra teoría.

Teoría de la asimetría del comportamiento

Existe una tercera teoría que habla de diferencias de comportamiento entre materia y antimateria. La antimateria se desintegraría con una tasa de desintegración diferente a la materia, dando lugar a la desigualdad que preservó un universo compuesto por materia convencional.

En 2004, el experimento BaBar del Acelerador Lineal de Stanford obtuvo nuevos resultados que mostraban esta diferencia de comportamiento entre materia y antimateria.

El acelerador PEP-II del SLAC hace impactar electrones y positrones para producir abundantes pares de partículas y antipartículas pesadas exóticas conocidas como mesones B y anti-B, de muy corta vida. Rápidamente decaen en otras partículas subatómicas más livianas, como kaones y piones, que son observados en el experimento BaBar.

Si no hubiese diferencia entre materia y antimateria, tanto el mesón B como el mesón anti-B deberían exhibir exactamente la misma figura de desintegración. Sin embargo, las mediciones muestran una gran diferencia en los ritmos de desintegración, con una preferencia del 13 por ciento del mesón B sobre el mesón anti-B, un fenómeno conocido como violación directa de paridad de carga (CP).

En 1964, físicos de la Universidad de Princenton ya probaron que el kaón o mesón K se desintegra a una tasa ligeramente diferente que su antipartícula, con lo que el modelo de diferentes tipos de asimetrías materia-antimateria comienza a convertirse en una figura coherente.

La violación CP es una de las condiciones enunciadas por el físico ruso Andrei Sakharov para justificar el desequilibrio de materia-antimateria que se observa en el universo actualmente.

Aplicaciones de la antimateria

Aplicaciones médicas

Hoy en día la antimateria ya se utiliza en numerosos hospitales para realizar estudios mediante la Tomografía por Emisión de Positrones (PET). El procedimiento de un PET consiste en inyectar al paciente fármacos que contienen núcleos inestables que emiten positrones. Estos fármacos se concentran en algún órgano cuyo funcionamiento se desea estudiar y, los positrones que emiten se aniquilan localmente con los electrones del órgano en cuestión. Estas aniquilaciones pueden ser detectadas, recogidas y convertidas en imágenes que proporcionan información valiosa para los médicos.

También se están estudiando diseños que permitan el uso médico de los rayos de antiprotones, bien para implantar nuevos y más potentes métodos exploratorios de análisis de zonas corporales, o bien como verdaderos proyectiles destructivos de zonas tumorales previamente señaladas como blancos o dianas.

Aplicaciones militares

Afortunadamente, aún estrictamente dentro del campo de la ficción, una aplicación muy primitiva y básica de la reacción de aniquilación, tremendamente energética, sería su uso en una bomba de antimateria. Utilizando un mecanismo similar al de la bomba atómica o la bomba de hidrógeno, se mantendría la antimateria aislada de cualquier tipo de materia dentro de un contenedor electromagnético. Llegado el momento, no haría falta ni siquiera un detonador, ya que la simple desactivación del campo provocaría la pérdida de aislamiento de la antimateria y su inmediata aniquilación, desprendiendo una cantidad de energía casi mil veces superior a la proporcionada por la misma masa en la fusión nuclear.

Aplicaciones espaciales

Pero la aplicación que más inmediatamente acude a la mente es la de su uso como fuente energética en aplicaciones concretas. Por ejemplo, con el uso de antimateria y su aniquilación controlada, con la correspondiente materia, los depósitos de combustible de los cohetes y vehículos espaciales podrían reducir su volumen a menos del diez por ciento del actual, permitiendo recorridos más largos y de mayor duración. Esta posibilidad es el objeto de estudio del proyecto ICAN-II que está en fase de investigación en la Universidad de Pennsylvania.

La antimateria podría servir no solamente como almacenamiento altamente eficiente de energía, sino que podría contribuir directamente a la propulsión de la nave en un verdadero motor de antimateria.

Así, por ejemplo, en la aniquilación de un protón con un antiprotón se pueden producir diferentes partículas más elementales, frecuentemente piones, que pueden ser utilizados como masa de reacción.

Un protón está formado por tres quarks mientras que el antiprotón está formado por los tres antiquarks correspondientes. La aniquilación protón-antiprotón se produce de diferentes formas dando lugar a lo que se llaman cascadas de partículas. Es decir: no se convierte inmediatamente toda la masa en energía, sino que los quarks elementales de los hadrones (protón y antiprotón) se combinan momentáneamente en otras partículas más ligeras y simples que salen despedidas a alta velocidad, muchas de ellas dotadas de carga eléctrica, por lo que pueden ser manipuladas por campos electromagnéticos para dirigirlas en la dirección adecuada y proporcionar impulso.

La alta velocidad de estas partículas y el rendimineto óptimo del combustible permitiría a la nave desarrollar mayor velocidad punta y contar con mayor autonomía.

Antimateria en la ciencia ficción:

Planeta negativo (1937), de John D. Clark es según Isaac Asimov el primer relato en el que se menciona la antimateria. En este cuento se nos describe un planeta compuesto de antimateria que amenaza la Tierra.

En Placet me complace (1946), Fredric Brown describe otro exótico planeta compuesto de una materia peculiar que podría coincidir con la antimateria.

Por supuesto, no se puede olvidar que el corazón del Enterprise es un reactor de antimateria. Lo que hace de la serie de televisión uno de los más tempranos ejemplos de la aplicación de la antimateria a la ingeniería. Aunque en ningún momento olvidaron sus posibilidades destructivas: En Star Trek III: En busca de Spock (1984), la autodestrucción de la nave es inmediata y total gracias al gran poder energético del combustible confinado en su reactor gracias a los imposibles cristales de dilitio.

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