La Antimateria

La antimateria

Mucha de la gente que se inicia en la astronomia, generalmente se encuentra con ésta palabra: 'antimateria', ¿pero que es realmente la antimateria? Voy a intentar explicarlo de forma sencilla para que no se necesiten elevados conocimientos físicos para entenderlo.

La materia normal como la conocemos, está compuesta de átomos, las distintas organizaciones de distintos átomos forman todos los tipos de moléculas y estos a su vez la materia. Estos átomos están compuestos por electrones, protones y neutrones, los elementos mas pequeños conocidos (sin tener en cuenta los quarks).

La antimateria se compone del mismo modo, con algo llamado anti-átomos, que estan formados por antielectrones (o tambien llamados positrones), antiprotones y el extraño antineutron.

Paul Adrien Maurice Dirac habia deducido, fundándose en un análisis matemático de las propiedades inherentes a las particulas subatomicas, que cada particula deberia tener su 'antiparticula'. Así pues, deberia haber un 'antielectron' identico al electron, salvo por su carga, que seria positiva, y no negativa, y un 'antiproton' con carga negativa en vez de positiva.

Pero... ¿Que es realmente la antimateria y en que se diferencian los electrones, protones y neutrones de los antielectrones, antiprotones y los antineutrones?

La antimateria es materia constituida por la antiparticulas (antielectrones, antiprotones y antineutrones).

La diferencia los electrones y protones de los antielectrones y los antiprotones y los antineutrones es basicamente la carga electrica, son idénticas en aspecto físico y en constitución, sus movimientos rotatorios se han invertido, el polo sur magnetico, por decirlo asi, esta arriba y no abajo, de esta manera su carga eléctrica es la opuesta de lo que deveria de ser.

Como vimos hasta ahora, el positron es la contrapartida del electron por su carga contraria, y el antiproton es tambien 'anti' por su carga. Pero... ¿por que dice anti a una partícula que posee carga neutra? Para responder esta pregunta es necesario explicar brevemente las carateristicas de los positrones y los antiprotones.

El antielectron es tan estable como el electron, de hecho es identico al electron en todos sus aspectos, excepto en su carga electrica. Su existencia puede ser indefinida. Aunque el promedio de 'vida' es de una millonésima de segundo, hasta que se encuentra con un electron, durante un momento relampagueante quedaran asociados el electron y el positron; ambas partículas giraran en torno a un centro de fuerza comun. Pero la existencia de este sistema, como máximo, durará una diezmillonesima de segundo ya que se combinan el positron y el electron.

Cuando se combinan las dos particulas opuestas, se produce una neutralizacion mutua y literalmente desaparecen, no dejan ni rastro de materia ('aniquilamiento mutuo'). Pero como sabemos la materia al igual que la energia no puede desaparecer, como resultado de esto queda la energia en forma de radiacion gamma. De tal forma como habia sugerido el genio Albert Einstein: la materia puede convertirse en energia, y viceversa.

El antiproton es tan evanescente como el positron, por lo menos en nuestro Universo. En una infima fraccion de segundo después de su creacion, la particula desaparece (al igual que el antielectron), arrastrada por algun nucleo normal cargado positivamente. Entonces se aniquilan entre si el antiproton y un proton del nucleo, que se transforman en energia y particulas menores.

En ocasiones, el proton y el antiproton solo se rozan ligeramente en vez de llegar al choque directo. Cuando ocurre esto, ambos neutralizan mutuamente sus respectivas cargas. El proton se convierte en neutron, lo cual es bastante logico. Pero no lo es tanto que el antiproton se transforme en un 'antineutron'.

Con algo de fisica elemental es facil comprender como forma un campo magnetico la particula cargada, pero ya no resulta tan facil saber por que hace lo mismo un neutron. Que por cierto ocurre. La prueba directa mas evidente de ello es que cuando un rayo de neutrones golpea sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haria si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo del neutron sigue siendo un misterio (al menos yo no me entere ), los fisicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalentes a cero, aunque, por alguna razon desconocida, logran crear un campo magnetico cuando gira la partícula.

Sea como fuere, la rotacion del neutron nos da la respuesta a esta pregunta: ¿Que es el antineutrón? Pues, simplemente, un neutron cuyo movimiento rotatorio se ha invertido y al igual que el positron y el antiproton, muestra exactamente el mismo fenomeno de los polos invertidos.

Por lo pronto, la teoria es bastante solida, y ningun fisico lo pone en duda. La antimateria puede existir.

Pero.... ¿Existe en realidad? ¿Hay masas de antimateria en el Universo?

Si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serian identicos a los de la materia corriente. Sin embargo, cuando se encontrasen con esta materia, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas de aniquilamiento resultantes. Por esto, los astronomos se afanan en observar especulativamente las galaxias, para comprobar si hay alguna actividad inusitada que delate las interacciones materia-antimateria.

¿Es posible, que el Universo este formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria?

Dado que la materia y la antimateria son equivalentes en todos los aspectos, excepto en su oposicion electromagnetica, cualquier fuerza que crease una originaria la otra, y el Universo deberia estar compuesto de iguales cantidades de una y otra.

Este es el dilema. La teoria nos dice que deberia haber antimateria, pero la observacion practica se niega a respaldar este hecho. ¿Y que ocurre con los nucleos de las galaxias activas? ¿Deberian ser esos fenomenos energeticos el resultado de una aniquilacion materia-antimateria? NO! Ni siquiera ese aniquilamiento es suficiente, la destruccion seria muchas veces mayor (para darse una idea de la magnitud lo mas parecido es el colapso gravitatorio de una supernova al explotar y el fenomeno resultante: el agujero negro, seria el unico mecanismo conocido para producir la energia requerida para tanta destruccion)

En 2010 los miembros del experimento ALPHA del CERN ya consiguieron atrapar antihidrógeno, el átomo de antimateria neutra más simple. Ahora han medido por primera vez su masa gravitacional –fuerza de atracción en un campo gravitatorio– y ver su proporción respecto a su masa inercial –resistencia al cambio de velocidad–.

Los resultados revelan que si un átomo de antihidrógeno cae hacia abajo, su masa gravitacional es no más de 110 veces mayor que su masa inercial. Pero si cayera hacia arriba, su masa gravitacional es a lo sumo 65 veces mayor. Los datos permiten establecer estos límites.

En cualquier caso lo que demuestra el estudio es que se puede medir la gravedad de la antimateria. La técnica para hacerlo se publica ahora en la revista Nature Communications , y el equipo confía en que vaya adquiriendo cada vez más precisión.

“Uno de los grandes interrogantes sobre la antimateria neutra es cómo se comporta cuando interactúa gravitacionalmente con la materia”, explica a SINC Marcelo Baquero-Ruiz, de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) y coautor del trabajo.

“Hay muchos argumentos que sugieren que ambas se debería atraer y comportarse de la misma manera –prosigue–. Sin embargo, nunca nadie ha tenido la posibilidad de poner a prueba experimentalmente esta afirmación hasta ahora. Pero quedan preguntas sin resolver: ¿Se caerá la antimateria hacia arriba o hacia abajo? ¿O tal vez es atraída hacia la materia pero con una aceleración diferente?”

Estas cuestiones siguen intrigando a los físicos, añade Joel Fajans, otro miembro de la colaboración en la Universidad de California-Berkeley, ya que "en el caso improbable de que la antimateria se cayera hacia arriba, tendríamos que revisar radicalmente nuestra visión de la física y repensar cómo funciona el universo".

¿La antimateria se cae hacia arriba o abajo?

Pero los argumentos teóricos actuales predicen que los átomos de hidrógeno y antihidrógeno tienen la misma masa y deben interactuar ante la gravedad de la misma manera. Si se libera un átomo, debería experimentar una fuerza hacia abajo tanto si está hecho de materia o antimateria.

"El aparato ALPHA puede atrapar átomos de antihidrógeno y luego liberararlos a propósito", aclara Jeffrey Hangst, el portavoz de ALPHA, para explicar la técnica que ha seguido. "Utilizamos nuestro detector de aniquilación sensible a la posición para ver si podíamos observar la influencia de la gravedad en esos átomos liberados".

El equipo ha analizado con caracter retroactivo cómo los átomos de antihidrógeno se movieron cuando se liberaban, lo que les ha permitido establecer los límites a los efectos gravitacionales, pero de momento se trata de un primer paso.

Los científicos confían en que cuando se reanude el experimento en 2014 con una trampa de antimateria actualizada, bautizada com ALPHA-2, se logren más avances. Además, el CERN prepara otros experimentos, como AEgIS y GBAR, para seguir midiendo cómo la gravedad afecta al antihidrógeno.

Antimateria

La materia que nos rodea y de la que estamos constituidos está formada por átomos, que a su vez, está constituida por neutrones, protones y electrones. Estas partículas vienen definidas por su masa y carga eléctrica.

La antimateria es materia constituida por la antiparticulas (antielectrones, antiprotones y antineutrones). Su diferencia estriba básicamente en la carga eléctrica, del signo opuesto al ordinario, con lo que sus movimientos giratorios en torno a sí mismos, o espín, son también inversos.

En 1928, el físico Paul Dirac formuló la ecuación que lleva su nombre, que describe ciertas partículas elementales caracterizadas por espín (1/2), como el electrón. En ella, se predecía la existencia la existencia de antipartículas además de las partículas de materia ordinarias.

La famosa ecuación de Albert Einstein E=mc 2 muestra que la masa es una forma concentrada de energía. Las reacciones nucleares de fisión y fusión solo convierten un 1% de su masa en energía. Sin embargo, con la combinación de la materia y de la antimateria se consigue prácticamente el 100% de la conversión de masa en energía.

En este proceso, denominado aniquilación, la partícula y su antipartícula giran en torno a un centro de fuerza común, hasta que se combinan para desintegrarse produciendo fotones de alta energía (rayos gamma) y/o otros pares partícula-antipartícula.

El antielectrón, o positrón, es tan estable como el electrón, pero su existencia puede ser indefinida. Sin embargo, su promedio de vida es de una millonésima de segundo, ya que es entonces cuando se encuentra con un electrón, aniquilándose mutuamente.

Hay ocasiones en las que el protón y el antiprotón solo se rozan ligeramente en vez de llegar al choque directo. Cuando ocurre esto, ambos neutralizan sus respectivas cargas, convirtiéndose el protón en neutrón y extrañamente el antiprotón en antineutrón, un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido.

Dónde se Encuentra la Antimateria

En 1932, el físico Carl David Anderson descubrió el positrón, o antielectrón, estudiando rayos cósmicos. Veintitrés años después, en 1955, Emilio Segrè y Owen Chamberlain, descubrieron el antiprotón y antineutrón. Sin embargo, no fue hasta 1965 cuando dos equipos, liderados por Antonino Zichichi y Leon Lederman, consiguieron crear un antideuterón, una antipartícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón. En 1995, se crearon los primeros átomos de antihidrógeno.

El tiempo que se consigue mantener esta antimateria, por medios como campos magnéticos o radiofrecuencia, se incrementa con los años. En 2011, se lograron almacenar 300 átomos de antihidrógeno durante 1.000 segundos. Dada la elevada complejidad de la antimateria por su naturaleza intrínseca, grandes cantidades de energía para su creación y complicados sistemas de almacenamiento, es considerada la sustancia más cara del mundo, con un costo estimado de unos 60.000 millones de USD el miligramo.

Con la masa de antimateria equivalente a la de un grano de arroz, una nave espacial podría viajar a Marte…

La antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. También puede originarse, de una forma natural, en el Sol así como en la parte superior de las tormentas eléctricas por ráfagas de rayos gamma terrestres generadas en el interior de las tormentas eléctricas y asociados directamente con los relámpagos.

En ciertas regiones de la magnetosfera terrestre, también se pueden encontrar, ya que estas antipartículas son atrapadas por el intenso campo magnético de la Tierra, causado a su vez por la rotación de ésta. Dicho campo atrapa partículas cargadas (plasma) provenientes del sol (viento solar), así como partículas cargadas que se generan por interacción de la atmósfera terrestre con la radiación cósmica y la radiación solar de alta energía.

Aplicaciones de la Antimateria

La tomografía por emisión de positrones o PET es una técnica no invasiva de diagnóstico de la Medicina Nuclear capaz de medir la actividad metabólica del cuerpo humano. La PET detecta y analiza la distribución tridimensional que adopta en el interior del cuerpo un radiofármaco de vida media ultracorta administrado a través de una inyección intravenosa. La PET detecta la emisión de fotones producidos al aniquilarse los positrones, emitidos por el radiofármaco, y los electrones corticales del cuerpo del paciente. Los antiprotones son cuatro veces más efectivos que los protones en la destrucción de tejido canceroso, es por ello que se estudien sus aplicaciones en oncología.

Sin embargo, la aplicación que mayor interés suscita es la generación de energía, ya que la aniquilación de una partícula con una antipartícula genera energía unas cinco mil veces mayor que la energía nuclear de fisión. Esta fuente de energía podría utilizarse en los viajes intelesterales, dadas su elevado rendimiento. Por ejemplo, se estima que 20 miligramos de antimateria serían suficientes para propulsar una nave a Marte.

...