10 cosas que tal vez no sabes sobre la antimateria

La antimateria es en sí misma un concepto fascinante, además de un pretexto a menudo socorrido para explicar combustibles de ciencia ficción o teorías acerca de cómo la materia apareció en el universo. Lo cierto es que la antimateria es algo bastante real (de hecho puede que sea la realidad misma), y tiene aspectos fascinantes como estos:

1. La antimateria debió haber aniquilado toda la materia del universo

Según la teoría, el Big Bang debió haber creado igual cantidad de materia y antimateria, las cuales, en cuanto se encontraran, se aniquilarían mutuamente, dejando energía como rezago. El principio del universo debió haber sido –teóricamente– su fin. ¿Por qué no ocurrió?

Los cálculos indican que (para suerte de todos nosotros), desde el principio existió una partícula extra de materia por cada mil millones de pares de materia y antimateria. La poética asimetría fundamental del universo sigue siendo tema de investigación.

 2. La antimateria está más cerca de lo que crees

La antimateria cae constantemente a la Tierra en forma de rayos cósmicos y partículas de energía; dichas “lluvias” caen en rangos que van de menos de una por metro cuadrado a más de 100 por metro cuadrado. Parece haber evidencia de producción de antimateria en las tormentas eléctricas.

Otras fuentes de antimateria, sin embargo, están mucho más cerca de nosotros. Por increíble que parezca, los plátanos liberan un positrón cada 75 minutos. Un positrón es el equivalente en antimateria de un eletrón. Esto ocurre porque los plátanos contienen pequeñas cantidades de potasio -40, un isotopo natural del potasio que ocasionalmente escupe positrones al echarse a perder. Otra fuente de potasio -40 es el cuerpo humano, así que sí, a veces también nosotros emitimos positrones de antimateria. Dado que esta es aniquilada de inmediato al entrar en contacto con la materia, su vida suele ser muy corta.

3. Los humanos han creado muy poca antimateria

La antimateria es capaz de liberar grandes cantidades de energía; 1 solo gramo puede producir una explosión comparable a la de una bomba atómica. Sin embargo, toda la antimateria creada por los humanos probablemente no llegaría ni siquiera a 1 gramo.

El acelerador de partículas Tevatrón creó 15 nanogramos, y el de CERN apenas 1 nanogramo. El laboratorio DESY de Alemania ha producido apenas 2 nanogramos. Si toda la antimateria producida por humanos fuera aniquilada en un instante, probablemente no habría energía ni para calentar una taza de té.

4. ¿Armas de antimateria?

Aunque puede parecer salido de la ciencia ficción, la probabilidad de crear armas de antimateria existe… aunque es costosa. Producir 1 solo gramo de antimateria requeriría aproximadamente 25 millones de millones de horas-kilowatt de energía, a un costo de más de 1 millón de millones de dólares. Eso sin contar los costos de almacenamiento.

5. Existen trampas de antimateria

Los investigadores han logrado aislar la antimateria en dispositivos llamados trampas de Penning, que son trampas iónicas parecidas a pequeños aceleradores, dentro de los cuales las partículas pueden permanecer en movimiento mientras los campos eléctricos impiden que choquen contra las paredes.

Existen partículas que no pueden ser contenidas de esta forma, como el antihidrógeno que no posee carga eléctrica; para apresarlas se requieren otros tipos de trampas que generen campos magnéticos en todas direcciones, de manera que las partículas queden atrapadas en el campo magnético más débil, como una canica en un tazón. El campo magnético terrestre también funciona como una gran trampa. Los antiprotones que quedan presos ahí llegan a zonas conocidas como cinturones de radiación de Van Allen.

6. Para estudiar antimateria es necesario un desacelerador de partículas

El CERN es el hogar de una máquina llamada “desacelerador de partículas”, un anillo de almacenamiento que puede capturar y reducir la velocidad de los antiprotones para estudiar su comportamiento y propiedades. Así como un acelerador de partículas le da un golpe de energía al término de cada rotación, un desacelerador hace lo contrario: en lugar de sumar energía, las partículas reciben un golpe en sentido contrario a su dirección, para bajar su velocidad.

7.  Los neutrinos podrían contener sus propias antipartículas

Una partícula de materia y su contraparte de antimateria llevan cargas opuestas, lo que las hace fáciles de distinguir. Los neutrinos –partículas que casi no tienen materia y rara vez interactúan con ella– no tienen carga; los científicos creen que los neutrinos podrían ser fermiones de Majorana, partículas hipotéticas que llevan su propia antipartícula con ellas.

Encontrar fermiones de Majorana, sin embargo, no es tarea sencilla. Pero hallarlos podría explicar la fundamental asimetría universal entre materia y antimateria. La hipótesis indica que los neutrinos de Majorana pueden ser ligeros o pesados; los ligeros existen hoy en día, y los pesados existieron únicamente después del Big Bang. Estos neutrinos de Majorana habrían sido destruidos de manera asimétrica, lo que llevó al pequeño exceso de materia gracias al cual el universo como lo conocemos pudo existir.

8. La antimateria puede ser medicinal

La topografía de emisión de positrones (PET) utiliza estas partículas para producir imágenes de alta resolución del cuerpo. Los positrones que emiten isotopos radioactivos se alían con sustancias químicas como la glucosa, las cuales son inyectadas en el torrente sanguíneo, donde los isotopos son liberados al ser procesados por el cuerpo. Al liberarse son aniquilados, lo que produce rayos gama, utilizados para construir las imágenes.

El proyecto ACE del CERN estudia la antimateria como un potencial candidato para la terapia contra el cáncer. Los médicos han observado cómo responden los tumores a los rayos de partículas, las cuales liberan su energía sólo cuando se necesita. La técnica ha sido exitosa en células de hámsters, y  se esperan resultados similares en humanos.

9. La antimateria que debió haber aniquilado el universo aún debe andar por ahí

El problema de la asimetría entre materia y antimateria implica que aún pueden existir restos del Big Bang. El espectrómetro Alpha Magnetic es un detector de partículas colocado en la Estación Espacial Internacional, y se encarga de buscar precisamente dichos restos. Su detector identifica y clasifica las partículas que ocurren a su alrededor.

Aunque las colisiones de rayos cósmicos que producen positrones y antiprotones sean eventos más o menos cotidianos en la vida del cosmos, la probabilidad de que un átomo de antihelio aparezca es extremadamente pequeña; se cree que se necesitarían fuerzas similares a las que estuvieron en juego durante el Big Bang para producir ese solo átomo. Esto significa que si Alpha Magnetic detectara así sea un solo núcleo de antihelio, podría ser evidencia de que existe una gran cantidad de antimateria en alguna parte.

10. Antimateria, ¿el energético del futuro?

Dado que una pequeña cantidad de antimateria es capaz de producir grandes cantidades de energía, la propulsión de vehículos impulsados por ella es hipotéticamente posible. La limitación, como hemos visto, es encontrar o disponer de suficiente antimateria. Existen experimentos que simulan propulsión y almacenamiento, pero están en una fase sumamente temprana de desarrollo.

Observan la primera partícula que es materia y antimateria al mismo tiempo

Para realizar el experimento los investigadores se valieron de un microscopio de dos pisos de altura en un laboratorio de ultra-vibración de la Universidad de Princeton, gracias al cual lograron captar una imagen brillante de una partícula conocida como fermión de Majorana encaramada en el extremo de un cable de grosor atómico, justo donde se había previsto tras décadas de estudios y cálculos que se remontan a la década de 1930.

"Esta es la forma más directa de buscar el fermión de Majorana, ya que se espera que surjan en el borde de ciertos materiales", dijo Ali Yazdani, profesor de Física que dirigió el equipo de investigación. "Si quieres encontrar esta partícula dentro de un material, tienes que utilizar un microscopio así, que permite ver dónde está realmente", agregó.

La búsqueda del fermión de Majorana empezó en los primeros días de la teoría cuántica, cuando los físicos se dieron cuenta por primera vez de que sus ecuaciones implicaban la existencia de contrapartes de "antimateria" para partículas conocidas comúnmente como electrones. En 1937, el físico italiano Ettore Majorana predijo que una sola partícula estable podría ser a la vez materia y antimateria. Aunque ya se han observado muchas formas de antimateria, la combinación Majorana se mantenía esquiva.  

A pesar de la combinación de cualidades que a simple vista deberían aniquilar una a la otra —la materia y la antimateria— el fermión de Majorana es sorprendentemente estable: en lugar de ser destructivas, las propiedades en conflicto la hacen una partícula neutra, de modo que interactúa muy débilmente con su entorno.    

“El universo puede estar permeado por un campo desconocido”

“Tal vez el espacio vacío no esté completamente vacío después de todo, sino impregnado de un campo desconocido, similar alcampo de Higgs“, dice el profesor Hartmut Abele de la Universidad de Tecnología de Viena, director de Atominstitut. A estas teorías se les llama teorías de la “quintaesencia” de Aristóteles, un quinto elemento hipotético agregado a los cuatro elementos clásicos de la filosofía griega antigua

Todas las partículas de las cuales conocemos su existencia hasta el momento representan tan solo alrededor del cinco por ciento de la masa y la energía del universo. El resto —lo que llamamos “materia oscura” y “energía oscura“— sigue siendo un misterio. Una colaboración europea encabezada por investigadores de la Universidad de Tecnología de Viena ha llevado a cabo mediciones extremadamente sensibles de los efectos gravitatorios a distancias muy pequeñas en el Instituto Laue-Langevin (ILL) de Grenoble. Estos experimentos proporcionan límites para posibles nuevas partículas o fuerzas fundamentales, que son cien mil veces más restrictiva que las estimaciones anteriores.

La materia oscura es invisible, pero actúa sobre la materia por su atracción gravitatoria, que influye en la rotación de las galaxias. La energía oscura, por su parte, se considera responsable de la expansión acelerada del universo. Esto puede ser descrito mediante la introducción de una nueva magnitud física: la constante cosmológica de Albert Einstein .

Si existen nuevos tipos de partículas o nuevas fuerzas adicionales en la naturaleza, debería ser posible observarlas aquí en la Tierra. Tobias Jenke y Abele, de la Universidad de Tecnología de Viena, desarrollaron un instrumento muy sensible que utilizaron en conjunto con sus colegas para estudiar las fuerzas gravitacionales.

Los neutrones son perfectamente adecuados para este tipo de investigación. No llevan carga eléctrica y son difícilmente polarizables. Sólo resultan influidos por la gravedad y, posiblemente, por las fuerzas adicionales, todavía desconocidas. Los cálculos teóricos que analizan el comportamiento de los neutrones fueron hechos por Larisa  Chizhova, el profesor Stefan Rotter y el Profesor Joachim Burgdorfer (TU Viena). U. Schmidt, de la Universidad de Heidelberg y T. Lauer de la TU de Múnich contribuyeron con una herramienta analítica.

La técnica que desarrollaron toma neutrones muy lentos desde la más potente fuente continua de neutrones ultrafríos en el mundo, ubicada en el ILL en Grenoble, y los guiaron entre dos placas paralelas. Según la teoría cuántica, los neutrones sólo pueden ocupar estados cuánticos discretos con energías que dependen de la fuerza que ejerce la gravedad sobre la partícula. Haciendo oscilar mecánicamente las dos placas, se puede cambiar el estado cuántico del neutrón. De esta manera, se puede medir la diferencia entre los niveles de energía.

“Este trabajo es un paso importante para el modelado de las interacciones gravitacionales a distancias muy cortas. Los neutrones ultrafríos producidos en el ILL, junto con los dispositivos de medición de Viena, son las mejores herramientas en el mundo para el estudio de las pequeñas desviaciones pronosticadas respecto de la gravedad newtoniana pura”, dice Peter Geltenbort (ILL Grenoble).

Diferentes parámetros determinan el nivel de precisión que se requiere para encontrar estas pequeñas desviaciones; por ejemplo, la fuerza de acoplamiento entre los hipotéticos nuevos campos y la materia que conocemos. Ya se han excluido ciertos rangos de parámetros para la fuerza de acoplamiento de las partículas o fuerzas quintaesencia, tras realizar otras mediciones de alta precisión. Pero todos los experimentos anteriores aún dejan un gran espacio de parámetros en el que podrían estar ocultos nuevos fenómenos físicos no-newtonianos.

El nuevo método con neutrones puede comprobar las teorías en este rango de parámetros: “Todavía no hemos detectado ninguna desviación de la bien establecida ley de Newton de la gravedad“, dice Hartmut Abele, el líder del grupo de la investigación. “Por lo tanto, podemos excluir un amplio rango de parámetros.” Las mediciones determinan un nuevo límite para la fuerza de acoplamiento, que es inferior a los límites establecidos por otros métodos en un factor de cien mil.

Aunque la existencia de ciertas partículas de quintaesencia hipotéticas resulta desmentida por estas mediciones, la búsqueda continuará, ya que aún es posible que la nueva física se pueda encontrar por debajo de este mejor nivel de precisión. La espectroscopía de resonancia gravitatoria tendrá que ser mejorada aún más; y aumentar la precisión en unos pocos órdenes de magnitud les parece factible al equipo de Abele.

Sin embargo, si aun así esto no diese ninguna evidencia de desviaciones con respecto a las fuerzas conocidas, Albert Einstein ganaría otra victoria: su constante cosmológica aparecería entonces más y más plausible.

Antimateria en erupciones solares

Se ha detectado antimateria en las erupciones solares mediante datos obtenidos en la banda de las microondas y en observaciones del campo magnético. La investigación, realizada por el equipo de Alexander T. Altyntsev, de la Academia Rusa de Ciencias, arroja algo de luz sobre la enigmática y fuerte asimetría que existe entre materia y antimateria. Para obtener la información esclarecedora ha sido decisiva la recopilación de datos a gran escala utilizando al Sol como un laboratorio.

Si bien las antipartículas se pueden crear y luego detectarlas con costosos y complejos experimentos en los aceleradores de partículas, tales partículas son muy difíciles de estudiar. Altyntsev y Natalia S. Meshalkina, del Instituto de Física Solar y Terrestre, dependiente de la Rama Siberiana de la Academia Rusa de Ciencias, así como Gregory D. Fleishman, del Instituto Tecnológico de New Jersey en Estados Unidos, han conseguido, por vez primera, detectar a distancia antipartículas relativistas (en este caso positrones o antielectrones) producidos en interacciones nucleares de iones acelerados en erupciones solares.

La detección ha sido posible gracias al análisis de datos astrofísicos en la banda de las microondas y sobre el campo magnético, obtenidos a partir de observatorios en la Tierra y de satélites astronómicos. Que tales partículas se generen en las erupciones solares no es una sorpresa, pero ésta es la primera vez que se han detectado sus efectos inmediatos.

Una erupción solar. (Foto: NASA / SDO)

Los resultados de este estudio abren nuevas vías de investigación para la heliofísica y la astrofísica en general. La capacidad de detectar estas antipartículas en un objeto cósmico promete no solo mejorar el conocimiento científico sobre la estructura básica de la materia, sino que también ofrece un laboratorio natural en el que intentar esclarecer algunos de los misterios más importantes del universo en que vivimos.

Los electrones y sus antipartículas, los positrones, tienen el mismo comportamiento físico, salvo que los electrones tienen una carga negativa, mientras que los positrones, como su nombre indica, tienen una carga positiva.