sábado, 17 de mayo de 2014

Ciencias: Antimateria, el otro lado del espejo.... Daniel Martín Reina

Antimateria, el otro lado del espejo
Foto: © M. Brice / CERN 
 

Varios años después de viajar al País de las Maravillas, el escritor inglés Lewis Carroll retomó el personaje de Alicia en el libro A través del espejo y lo que Alicia encontró al otro lado, escrito en 1871. La historia comienza con Alicia sentada en el sofá de su sala, meditando sobre lo que ella llama la casa del espejo. Por extraño que parezca, Alicia está convencida de que al otro lado del espejo que hay encima de la chimenea existe un mundo tan real como el de su sala, sólo que las cosas están dispuestas a la inversa. Los libros, por ejemplo, se parecen a los suyos, pero con las letras escritas al revés. El humo que sale de la chimenea es el mismo que el que sale del otro lado, aunque Alicia no puede ver si ahí también encienden el fuego en invierno.
Pero lo que más intriga a Alicia es lo que se intuye cuando ella deja abierta la puerta del salón. ¿Y si más allá de la puerta de la casa del espejo fuera completamente diferente? ¿Habría alguna forma de atravesar el espejo y comprobarlo?
De repente, una niebla empieza a rodear el espejo como si se estuviera disolviendo el cristal. Alicia se encarama a la chimenea y un instante después atraviesa el cristal sin saber muy bien cómo. ¡Alicia ha pasado al otro lado!
Entonces empieza a mirar atentamente a su alrededor y descubre que allí dentro, en la casa del espejo, todo es muy distinto…

La ecuación de Dirac

El principio del libro de Carroll enlaza a la perfección con nuestra historia, cuyo argumento hubiera asombrado al propio escritor. ¿Te imaginas que el Universo en el que vivimos se pareciera al salón y a la casa del espejo de Alicia?
Todo empezó a finales de la década de 1920. Por aquel entonces, los científicos sabían que el átomo está formado por electrones, partículas con carga negativa que giran alrededor de un minúsculo núcleo donde se concentran los protones, con carga positiva (el otro componente del núcleo, el neutrón, sin carga eléctrica, todavía no se había descubierto).
Sin embargo, no se había podido describir con exactitud el comportamiento de los electrones en el interior del átomo. El problema estaba en que las ecuaciones de la mecánica cuántica, que se encarga de los fenómenos subatómicos, se basaban en la mecánica de Newton. Ésta es muy útil en el caso de sistemas en los que las velocidades son mucho menores que la de la luz, como ocurre en nuestra vida cotidiana o con el movimiento de los cuerpos celestes. Pero no sirve para partículas como el electrón, que se mueven casi tan rápido como la luz. En tales casos hay que recurrir a la teoría especial de la relatividad de Einstein, que explica lo que sucede cuando los objetos se mueven a velocidades cercanas a las de la luz.
En 1928, el físico inglés Paul Dirac fue el primero en combinar la relatividad y la mecánica cuántica, y así llegó a una ecuación que describe con precisión al electrón. Pero había algo más. Igual que una ecuación simple como x2 = 4 tiene dos soluciones, x = 2 y x = -2, la ecuación de Dirac predice también la existencia de una partícula con las mismas propiedades que el electrón, pero con carga positiva: una antipartícula. Y no sólo debía existir una antipartícula para el electrón, sino también para el resto de partículas conocidas.
El descubrimiento en 1932 del positrón, la antipartícula del electrón, confirmó la teoría de Dirac y dejó la puerta abierta a una fascinante posibilidad. De la misma manera que las partículas ordinarias forman la materia que nos rodea, también sus correspondientes antipartículas podrían formar átomos de antimateria; es decir, positrones que dan vueltas alrededor de un núcleo compuesto por antiprotones y antineutrones. La antimateria sería el reflejo de la materia, como la casa del espejo lo era del salón de Alicia antes de atravesar el espejo.

La antimateria, ¿fuente de energía?

Cuando la antimateria entra en contacto con la materia se genera una enorme cantidad de energía, más que en cualquier otra reacción conocida en física. Para que te hagas una idea, la aniquilación materia-antimateria es 2 000 millones de veces más energética que la combustión de la gasolina y 100 veces más que la fisión nuclear (la energía de los reactores nucleares y las bombas atómicas). Bastaría un gramo de antihidrógeno para producir más energía que la bomba de Hiroshima.
Pero eso no significa que la antimateria sea una fuente de energía útil. El principal inconveniente es que la antimateria que existe en el Universo es muy escasa, así que lo primero que hay que hacer es fabricarla. Y resulta que éste es un proceso muy poco eficiente, porque se necesita crear millones de antiprotones y positrones para producir unos pocos átomos de antihidrógeno. En definitiva, la energía que se aporta para crear antimateria es mucho mayor que la que se obtiene después cuando se aniquila. Parece casi imposible que en el futuro vaya a existir, por ejemplo, un motor de antimateria como el que propulsa la nave espacial Enterprise de Star Trek.
Pero imagínate que nuestro propósito no es utilizar la antimateria como fuente de energía, sino para otros fines más dudosos. Como los terroristas de la novela Ángeles y demonios de Dan Brown, que roban antimateria del CERN (Organización Europea de Investigaciones Nucleares) con la intención de crear una devastadora bomba. Después de todo, un gramo de antimateria es muy poca cantidad, ¿no?
Supongamos que pudiésemos atrapar todos los antiprotones que se producen en el CERN y utilizarlos para formar antihidrógeno, algo impensable de momento. Eso nos daría unos 1 000 millones de átomos de antihidrógeno por segundo. O lo que es lo mismo, unos 30 000 billones (3 x 1016) al año. Parece mucho, pero es que si quieres formar un gramo de antihidrógeno se necesitan 6 x 1023 átomos de antihidrógeno. A ese ritmo serían necesarios millones de años para reunir un gramo, algo inviable por mucho que se perfeccionen las técnicas. En la realidad, los terroristas que quieran hacer armas de antimateria se las van a ver más difíciles que en la ficción. Así que podemos olvidarnos de la antimateria como fuente de energía o arma destructiva y centrarnos en el verdadero interés de los científicos, que es comprender las leyes que gobiernan la naturaleza.

El origen de la antimateria

Nuestro Universo está compuesto básicamente de materia ordinaria, así que ¿de dónde surgió la antimateria y por qué no la vemos a nuestro alrededor? Para responder a esta pregunta debemos retroceder en el tiempo más de 13 000 millones de años, cuando toda la energía del Universo estaba concentrada en un único punto minúsculo. En un momento incierto se produjo lo que hoy se llama Big Bang, una catastrófica explosión que inició la expansión del Universo. A medida que crecía, el Universo se fue enfriando y parte de la energía que se generó en el estallido comenzó a transformarse en partículas y antipartículas. Eso debió ocurrir cuando ni siquiera había transcurrido una billonésima de segundo desde el Big Bang.
Fue el único momento en que materia y antimateria coexistieron de forma natural. Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, las dos se aniquilan y se transforman en radiación. En principio, el Big Bang debería haber generado el mismo número de partículas y antipartículas, que se habrían destruido mutuamente hasta convertir el Universo en nada más que pura radiación. Podemos estar seguros que eso no ocurrió, porque en tal caso no estaríamos aquí para contarlo. Por algún motivo desconocido, el equilibrio entre materia y antimateria se decantó a favor de la materia. Se calcula que por cada 1 000 millones de antipartículas, se formaron 1 000 millones más una partículas. Es decir, por cada 1 000 millones de pares partícula-antipartícula que se aniquilaron, hubo una afortunada partícula que se salvó. La diferencia puede parecer insignificante, pero ahí empezó a formarse el Universo tal y como lo conocemos hoy: estas partículas supervivientes se unieron luego para formar los primeros átomos, que más tarde constituirían las primeras estrellas y galaxias.
Los científicos sospechan que la causa de este desequilibrio entre materia y antimateria es que ambas se comportan de distinta manera y que, por tanto, las leyes físicas para una y otra no son exactamente las mismas. Esto sería algo extraordinario, tan sorprendente como lo fue para Alicia descubrir que su salón y la casa del espejo eran diferentes.
¿Cómo comprobarlo? Una manera sería crear un átomo de antihidrógeno —que es el más simple de todos, formado por un antiprotón y un positrón—, estudiar sus propiedades físicas y luego comparar los resultados con los del átomo de hidrógeno, que conocemos tan bien.

Producción de antimateria

La producción de antipartículas como positrones y antiprotones se ha convertido en algo rutinario en los aceleradores de partículas. Pero juntar estas antipartículas y formar átomos de antimateria es mucho más difícil, ya que cualquier contacto con la materia ordinaria tiene desastrosas consecuencias. Los primeros intentos se remontan a principios de la década de 1990. El método consistía en hacer pasar un antiprotón muy veloz cerca de un núcleo atómico pesado, por ejemplo, xenón, lo que de tanto en tanto creaba un par electrón-positrón. En este hipotético caso, el antiprotón podía unirse con el positrón y formar un átomo de antihidrógeno, aunque esto era todavía menos frecuente que lo anterior. Fue un logro enorme que unos investigadores del CERN (Organización Europea de Investigaciones Nucleares), en Ginebra, consiguieran en 1995 crear así los primeros nueve átomos de antihidrógeno. El problema de esta técnica, además de ser muy poco eficiente, es que el antihidrógeno se fabrica a velocidades cercanas a las de la luz, por lo que no había ninguna posibilidad de estudiar sus propiedades antes de que los antiátomos desaparecieran.
A principios de la década de 2000, el experimento ATHENA del CERN producía por separado positrones —a partir de diversas sustancias radiactivas, como el flúor o el sodio— y antiprotones —en los aceleradores de partículas—. Como los átomos de antihidrógeno no se pueden enfriar de la manera convencional —por ejemplo, con helio líquido— porque se aniquilarían al entrar en contacto con él, deben crearse ya con poca energía, o como dicen los físicos, fríos. Y su energía depende principalmente de la energía de los antiprotones incidentes, pues son mucho más masivos que los positrones. Cuanto más fríos estén los antiprotones (es decir, cuanto más lentos sean), más fácil será luego crear y capturar los átomos de antihidrógeno.
Con esta idea se construyó el llamado Desacelerador de Antiprotones (AD, por sus siglas en inglés), un anillo en el que se colocaban diversas láminas llamadas degradadores. Los antiprotones se hacían girar por el anillo y chocar con los átomos de las láminas; los que no se aniquilaban, se frenaban a un 10% de su velocidad inicial.
Los antiprotones que salían del AD se mezclaban con los positrones en unas "botellas" electromagnéticas llamadas trampas de Penning. Estas trampas son recipientes de donde se extrae por bombeo todo el aire del interior y se rodean con helio líquido, el cual se mantiene a una temperatura de apenas 4 kelvin (-269º C). En el núcleo de la trampa se crean campos electromagnéticos que facilitan la unión de las antipartículas y, al mismo tiempo, impiden que entren en contacto con las paredes de la trampa.
Gracias a los antiprotones fríos y a la trampa de Penning, el equipo ATHENA consiguió en 2002 crear átomos de antihidrógeno durante sólo unos microsegundos. Fue tan breve porque al formarse el átomo de antihidrógeno, la carga de una antipartícula compensa la de la otra y, como ocurre con el átomo de hidrógeno cotidiano, su carga eléctrica total es cero. Sin carga, los campos eléctricos y magnéticos del interior de la botella ya no tienen efecto sobre él y se escapa, perdiéndose para siempre. Las trampas de Penning son muy útiles a la hora de crear átomos de antihidrógeno, pero no sirven para tenerlos quietos.

La antimateria en nuestra vida diaria

Es cierto que la antimateria escasea en nuestro universo, pero eso no significa que sea algo tan raro y exótico como pueda parecer. Los físicos crean y destruyen antipartículas a diario desde hace décadas. Y en los hospitales se utiliza la antimateria en una técnica de imagen médica muy importante: la llamada tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés).
La tomografía es una técnica que permite tomar imágenes del cuerpo en cortes. En el caso de la PET se consigue gracias a la radiactividad de determinados elementos, que emiten positrones de manera natural; el más utilizado es el flúor-18. Estos elementos radiactivos tienen una vida media corta, de unos 10 minutos, lo que significa que transcurrido ese tiempo la cantidad de dicho elemento se reduce a la mitad. La muestra radiactiva se introduce en el cuerpo del paciente, normalmente por vía intravenosa u oral, y se espera a que se acumule en el área de interés. Los positrones que emite continuamente se encuentran enseguida con los electrones de los átomos de nuestro cuerpo, explotando en dos fotones de alta energía, que son emitidos en direcciones opuestas, de acuerdo con las leyes de la física.
Alrededor del paciente se disponen los detectores en forma de anillo, que son capaces de medir el tiempo de llegada de los fotones y su dirección. Cuando se detectan dos fotones que llegan a la vez desde direcciones opuestas, sabemos que se ha producido una aniquilación electrón-positrón. Estos fotones detectados se convierten en señales eléctricas y la información que se obtiene permite construir una imagen por secciones.
La PET es una técnica diagnóstica muy útil porque también detecta regiones de alta actividad química. Cuando el metabolismo de una zona aumenta —por ejemplo, en un tumor—, la concentración de sustancias químicas también aumenta, y con ella la densidad de electrones. Por tanto, las aniquilaciones serán más numerosas en esta zona que en otra de baja actividad metabólica. En definitiva, la PET no sólo proporciona imágenes, sino que permite visualizar procesos biológicos como el flujo sanguíneo, el metabolismo y los receptores neuronales. De todo ello se están beneficiando diversas áreas de la medicina.

La trampa dentro de la trampa

Había que pensar en otra estrategia para atrapar los átomos de antihidrógeno. Con este objetivo surgió en 2005 el proyecto ALPHA, que tomó el relevo de ATHENA en el CERN. Su planteamiento se basaba en que aunque no tenga carga eléctrica, el átomo de antihidrógeno se comporta como una pequeña brújula sensible a un campo magnético. El equipo ALPHA diseñó una trampa magnética a base de un complejo imán con varios polos magnéticos, una configuración que se conoce como trampa de Ioffe. La trampa de Penning se sitúa dentro de la trampa de Ioffe, de manera que cuando se forman los átomos de antihidrógeno y la trampa de Penning ya no los puede retener, entra en acción la trampa de Ioffe y los atrapa. La combinación de ambas trampas es el arma perfecta para cazar antimateria, siempre que los antiprotones sean lo suficientemente lentos.
En efecto, el campo magnético creado por la trampa de Ioffe es muy débil, por lo que es necesario enfriar todavía más los antiprotones para poder atraparlos. Por eso se incluyó antes de la trampa un ingenioso mecanismo de frenado a base de electrones. La idea es parecida a detener un balón de fútbol haciéndolo pasar por un montón de pelotas de tenis. De la misma manera, los científicos utilizan los electrones para enfriar los antiprotones haciendo que choquen con ellos. La ventaja de los electrones es que son fáciles de enfriar y pueden interactuar con los antiprotones sin aniquilarlos, puesto que no forman un par partícula-antipartícula. En apenas un minuto, electrones y antiprotones llegan a una temperatura de equilibrio de 20 kelvin (-253º C). Los antiprotones ya están listos para mezclarse con los positrones y formar átomos de antihidrógeno fríos que puedan ser luego capturados en la trampa de Ioffe.
En noviembre de 2010, los responsables del experimento ALPHA confirmaron que de la interacción de 10 millones de antiprotones y 700 millones de positrones, se habían formado 38 átomos estables de antihidrógeno, que duraron 172 milisegundos cada uno. Éste era el tiempo mínimo para asegurarse que se habían barrido de la trampa el resto de antipartículas que no habían llegado a formar antimateria. Apenas unos meses después, consiguieron atrapar 309 átomos de antihidrógeno, 19 de los cuales aguantaron 1000 segundos. Este tiempo sí es suficiente para estudiar el antihidrógeno en profundidad y comprobar si se comporta tal y como indican los modelos teóricos.
La antimateria en nuestra vida diaria

Experimentos con antimateria

Cuando se habla de la simetría entre materia y antimateria, los físicos usan el término simetría CPT; C de carga eléctrica, P de paridad (una propiedad de las partículas elementales que hace referencia a su sentido de giro) y T de tiempo. Lo que viene a decir esta simetría es que si tomamos las ecuaciones que describen cualquier ley física y cambiamos de signo las cargas eléctricas, cambiamos espacialmente la izquierda por la derecha e invertimos el tiempo, la situación física es equivalente. Al aplicar esta transformación al átomo de hidrógeno, el resultado es el átomo de antihidrógeno. Refinando lo que se dijo al principio del artículo, la antimateria sería el reflejo de la materia en el espejo de la simetría CPT. Hasta ahora no se ha encontrado ningún fenómeno físico que no cumpla la simetría CPT. Por tanto, cualquier experimento realizado en el átomo de antihidrógeno debe conducir a los mismos resultados que en el átomo de hidrógeno. Cualquier diferencia, por mínima que sea, podría explicar lo que ocurrió poco después del Big Bang.
Una manera de poner a prueba la simetría CPT sería comparar el espectro del hidrógeno con el del antihidrógeno, es decir, comparar los niveles de energía del electrón del hidrógeno con los del positrón del antihidrógeno. Éste es, de hecho, el objetivo principal del proyecto ALPHA.
Otro experimento crucial será comprobar cómo actúa la gravedad sobre la antimateria. De ello se encargará el experimento a AEgIS, también del CERN, que en el verano de 2012 debería empezar a tomar datos. El experimento medirá el efecto de la gravedad sobre un átomo de antihidrógeno en caída libre a lo largo de 60 cm. De nuevo, la antimateria debería comportarse de la misma manera que la materia, pero nadie ha podido verificarlo todavía.
Mientras tanto, el CERN ya ha anunciado un nuevo proyecto para producir antiprotones con las energías más bajas jamás alcanzadas. El proyecto, conocido como ELENA, consiste en un nuevo anillo desacelerador de antiprotones que reducirá a un quinto la energía actual de los antiprotones, lo que mejorará notablemente la eficiencia de atrapamiento. Su puesta en marcha está prevista para 2016.
Se avecinan unos años emocionantes con el estudio de la antimateria. Estamos a punto de atravesar el espejo como hizo Alicia y comprobar qué hay al otro lado. Lo que allí encontremos puede ayudarnos a entender por qué el Universo se decantó por la materia.
Daniel Martín Reina, frecuente colaborador de ¿Cómo ves?, egresó de la carrera Ciencias Físicas de la Universidad de Sevilla, España.
 
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