Apuntes de Astronomía

La antimateria

El descubrimiento de la antimateria fue iniciada por Paul Dirac

El desarrollo de las matemáticas a comienzos del siglo XX tuvo mucha influencia en el descubrimiento de la antimateria.

En el año 1928, un joven físico inglés Paul Dirac (1902-1984) formuló una ecuación matemática que combinaba los principios de la relatividad de Einstein con los postulados de la física cuántica de Niels Bohr. Esta ecuación era considerablemente árida y complicada. Pero cuando este genio de las matemáticas emprendió la tarea de explorar sistemáticamente las consecuencias de su ecuación, se encontró con una verdadera mina de informaciones. Una de estas consecuencias era que la existencia ya comprobada del electrón implicaba la existencia de un hermano gemelo, con características idénticas sólo que con carga eléctrica positiva. Le llamó anti-electron. Hoy se le llama también positrón. De su ecuación se desprendía también que el encuentro de un electrón con un anti-electrón hacía que ambas partículas se aniquilaran mutuamente y que se transformaran en fotones.

Paul Dirac

Actualmente está comprobado que la antimateria es algo real. Todas las partículas elementales tienen una contraparte con la misma masa pero carga opuesta. Cuando una partícula choca contra su antipartícula, ambas se destruyen, produciendo otras partículas, por ejemplo fotones o rayos gamma.

Las unidades elementales de la materia son el protón, con carga eléctrica positiva; el electrón, con carga eléctrica negativa; y el neutrón, sin carga eléctrica. Las unidades elementales de la antimateria son el antiprotón, con carga negativa; el antielectrón, llamado positrón, con carga positiva. El protón está en el núcleo del átomo de la materia, y el antiprotón en el núcleo del átomo de la antimateria. El electrón es la partícula que orbita alrededor del núcleo de la materia, y el positrón es la que orbita alrededor del núcleo de la antimateria. La antimateria podría usarse como combustible de naves espaciales.

El antielectrón es tan estable como el electrón. Es idéntico al electrón en todas las propiedades fundamentales (masa, espín), excepto en su carga eléctrica.
El tiempo de su existencia podría ser indefinido. Pero, cuando el antielectrón se encuentra con un electrón, el tiempo medio de la existencia de ambos baja a una millonésima de segundo. Durante un breve momento, el electrón y el antielectrón empiezan a  girar en torno a un centro de fuerza común. Al cabo de una diezmillonésima de segundo se produce una neutralización mutua y ambos desaparecen sin dejar ningún rastro de materia. A cambio, se ha generado energía en forma de fotón o radiación gamma.

El antiprotón y el protón tienen una vida similar a la pareja electrón-antielectrón. En una ínfima fracción de segundo, el antiprotón desaparece al aniquilarse con un protón y transformarse también en fotones o rayos gamma.

La carga eléctrica de un neutrón sigue siendo un misterio. Los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalentes que dan como resultado una carga cero. Sin embargo, por alguna razón desconocida, cuando la partícula gira, se crea un campo magnético. El antineutrón es un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido.

Los médicos saben que los tejidos del cuerpo humano invadidos por el cáncer, tienen un elevado consumo de glucosa. Se descubrió que el flúor-18 es un radioisótopo emisor de positrones y que, además, se une con facilidad a la glucosa. Cuando el positrón del flúor-18 se encuentra con un electrón de la glucosa, ambos se destruyen y generan rayos gamma que pueden ser detectados por un instrumental médico adecuado. De esta forma, en tiempo real, es posible ver una imagen de la masa encefálica del cerebro y así  identificar, localizar y cuantificar el consumo de glucosa por las diferentes células de esa zona del organismo. El PET es actualmente un instrumento que, combinado con el TAC, es de capital importancia para el diagnostico del cáncer, especialmente en el sistema nervioso central.

En 1932, Carl Anderson, en el Caltech, descubrió el anti-electrón. Se le llamó positrón. En 1955, en la Universidad de Berkeley, se descubrió el antiprotón. En 1965, fue la primera vez que se pudo hablar propiamente de antimateria, es decir, de "materia" compuesta por antipartículas. En el Acelerador Protón Sincrotón del CERN, un equipo de investigadores consiguió crear un antideuterón, una antipartícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón. En 1995, el CERN anunció la creación de nueve átomos de antihidrógeno. En 2002, dos experimentos (ATHENA y ATRAP) consiguieron generar algunos miles de átomos de antihidrógeno. Aunque esto pueda parecer mucho, realmente unos miles de átomos es muy poquito. Para llenar un globo de cumpleaños con antihidrógeno se necesitarían 10.000.000.000.000.000 veces más.

Un antiátomo

Si un kilogramo de materia entrase en contacto con un kilogramo de antimateria, se produciría una energía superior a 179.000 billones de Julios.

Por tal motivo, cuando los aceleradores del CERN y otros centros de altas energías producen antipartículas,  tienen que almacenarla en tubos cilíndricos llenos de vacío con campos magnéticos, para que no entre en contacto con la materia del tubo, y no se produzca una explosión.

Producir antipartículas es relativamente más "fácil" que producir antiátomos. De hecho ocurre habitualmente en la naturaleza, en un tipo de desintegración radioactiva denominada “desintegración beta”. También se producen antipartículas cuando los rayos cósmicos de alta energía llegan a la atmósfera y al interaccionar con ella producen cascadas de partículas y de antipartículas. Pero producir antiátomos es mucho muy difícil, y muchísimo más difícil, almacenarlos. Generar estructuras más complejas, como una mesa de antimateria, actualmente es imposible y de momento no conocemos ninguna forma para poder hacerlo en el futuro.

En la Universidad Técnica de Munich, un equipo de investigadores japoneses informó de la creación de un átomo compuesto de materia y antimateria llamado helio antiprotónico. Este átomo constaba de dos protones, dos neutrones, un electrón y un antiprotón. El átomo sobrevivió 15 millonésimas de segundo.

Las teorías científicas más aceptadas afirman que en el origen del Universo existían materia y antimateria, en iguales proporciones. Estas mismas teorías establecen que la materia y la antimateria se fueron aniquilando mutuamente, quedando como resultado energía pura. Sin embargo, el Universo que observamos está compuesto únicamente por materia. Se desconocen los motivos por los que no se ha encontrado antimateria en el universo. Se barajan tres posibilidades para explicar por qué la cantidad de materia superó a la de antimateria:

Primera hipótesis: las investigaciones de tres científicos japoneses (Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa) confirmaron la teoría de que por cada 10.000 millones de partículas de materia que surgió en el Big Bang, se produjeron 10.000 millones menos 1 partícula de antimateria. Esta diferencia de 1 a 10.000 millones fue la causa de que la balanza se inclinara a favor del cosmos en vez de a la nada. Si no hubiera sido así, si en el momento del Big Bang hubiera habido igual número de partículas de materia y de antimateria, todo habría quedado reducido a una gigantesca producción de rayos gamma y de fotones, hoy no habría estrellas ni galaxias ni nebulosas y nosotros no existiríamos para estar pensando en estas cosas. Las investigaciones de estos tres científicos empezaron en el año 1960, cuando Yoichiro Nambu (Tokio, 1921) profesor en la Universidad de Chicago, formuló por primera vez la teoría de la ruptura espontánea de la simetría. Esta ruptura de la simetría implicaba a su vez la existencia de seis tipos de quarks. Estas hipótesis, que no pasaban de ser una teoría, se vieron confirmadas en el año 2001, con los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas de Stanford en USA y de Tsukuba en Japón.

El profesor Yoichiro Nambu

Segunda hipótesis, sugerida en 1967 por el físico ruso Andréi Sájarov, postula que las partículas y las antipartículas no tienen propiedades simétricas exactamente iguales. Recientes experimentos en el acelerador KEK de Japón, sugieren que esto quizás sea cierto, y que no fue necesario ese pequeñísimo exceso de materia en el Big Bang, porque simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria. Una tercera hipótesis plantea que puede haber regiones del Universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir a largas distancias entre materia y antimateria. La NASA ha enviado una sonda al espacio para buscar rastros de antimateria, que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el Universo. Sin embargo, hasta ahora, los experimentos no han detectado nada.

Andréi Sàjarov

¿Por qué resulta tan difícil almacenar la antimateria?
Cuando las antipartículas o los antiátomos tocan la materia habitual se aniquilan emitiendo energía. Por tanto, almacenar antimateria es muy difícil. Para hacerlo es necesario almacenar las antipartículas generadas en "trampas electromagnéticas".
Las antipartículas neutras y los antiátomos son aun mucho más difíciles de almacenar, ya que es imposible usar campos eléctricos y magnéticos para confinarlos, porque básicamente no les afectan. Se han planteado ideas como el uso de "trampas ópticas", mediante el empleo de rayos láser.

Uno de los temas preferidos de la ciencia ficción es la antimateria. Existen diversos relatos y películas de ciencia ficción fascinantes, fantasiosos y entretenidos en donde la antimateria aparece de diversas formas y con diferentes propósitos. Por ejemplo, en la famosa serie de televisión de Star Trek, la antimateria se emplea para alimentar los motores que impulsan la nave espacial Enterprise y en la exitosa novela Ángeles y Demonios de Dan Brown se utiliza para crear una bomba de gran poder de destrucción. Por otra parte, en los cómics de superhéroes, los supervillanos emplean su ingenio y tecnología para desarrollar armas que lanzan haces de antimateria con el propósito de eliminar a sus enemigos. Algunos autores se han llegado a imaginar incluso mundos, galaxias y estrellas formadas por ella. Más aún, Isaac Asimov introduce en algunas de sus historias, cerebros artificales que usan antimateria para animar robots inteligentes. La lista podría continuar. Sin embargo, a pesar de todos estos relatos e historias sólo se transmite al público una idea vaga, y en ocasiones, errónea de lo que es la antimateria y sobre sus propiedades. Motivado por ello, en este artículo trataremos de explicar que es la antimateria, que propiedades tiene, donde se le encuentra, que se desconoce sobre ella y de que manera busca emplearla el hombre para su beneficio. Comenzaremos primero explicando lo que es la antimateria.

La naturaleza de la antimateria

Como sabemos, la materia a nuestro alrededor está formada por partículas subatómicas y posee diversas propiedades como la masa. Esta es una medida de la resistencia que ofrece la materia a cambiar de movimiento. Cuando hablamos de antimateria nos referimos a una sustancia que posee las mismas propiedades que la materia excepto que está formada por antipartículas. Las antipartículas son un reflejo de las partículas, se parecen a ellas, poseen su misma masa, pero poseen carga eléctrica y propiedades magnéticas opuestas. A cada clase de partícula, la naturaleza le ha asignado su correspondiente antipartícula y cuando ambas se topan sucede algo sorprendente: ambas se aniquilan emitiendo energía en forma de radiación en el proceso. Esta energía proviene de la masa de las partículas y antipartículas. Como sabemos, la masa es una forma de energía, lo que fue señalado por Albert Einstein en su teoría especial de la relatividad hace poco más de cien años. Precisamente, fue a principios del siglo pasado que surgió la idea de la antimateria, durante un periodo en el cual la física atravesaba por una revolución intelectual que dió nacimiento a la mecánica cuántica.

La predicción de la antimateria y su descubrimiento

La teoría especial de la relatividad y la mecánica cuántica son los dos grandes pilares de la física moderna. La primera trata de describir el movimiento de los cuerpos cuando este es apreciado por observadores que se desplazan a velocidad constante, unos respecto a otros, incluso a velocidades relativistas, es decir, muy cercanas a la de la luz. Por otra parte, la mecánica cuántica se encarga de describir el comportamiento de los cuerpos a escalas muy pequeñas, incluso de tamaño subatómico, pero falla al considerar grandes velocidades. Para remediar esto, varios científicos del siglo pasado buscaron la forma de incluir la mecánica cuántica dentro del marco de la teoría especial de la relatividad. Uno de los primeros intentos que se dieron en esta dirección fue el realizado en 1928 por el físico inglés Paul A. M. Dirac quién derivó una ecuación para describir el comportamiento cuántico de un electrón relativista. Estudiando su ecuación, Dirac encontró que ésta predecía la existencia de partículas de carga positiva, que en un principio, Dirac interpretó como protones, los cuales ya eran bien conocidos en esa época. Sin embargo, investigaciones posteriores, realizadas por el científico H. Weyl, mostraron que en realidad se trataban de partículas con masas semejantes a la del electrón pero de carga eléctrica opuesta, algo no visto hasta ese entonces. A estos nuevos objetos se les llamó electrones positivos o antielectrones. Una de las propiedades que estos antielectrones debían tener (como mostraron I. Tamm, J. R. Oppenheimer y el mismo P.A. Dirac en base a la teoría) era que al chocar con electrones podían aniquilarse produciendo rayos gamma de alta energía. La confirmación de la existencia de estas partículas tan exóticas no tardó en aparecer. En agosto de 1932, C. David Anderson anunció al mundo que había encontrado evidencia experimental en favor de la presencia de antielectrones entre los restos de las colisiones de rayos cósmicos con la materia.

La confirmación de la existencia de antielectrones provino de O. Occhialini, P. Blackett y C. D. Anderson un año después estudiando también las lluvias de partículas producidas por los rayos cósmicos al interaccionar con la materia. Fue C. Anderson quien en 1933 bautizara con el nombre de positrón al antielectrón. Estas fueron las primeras observaciones confirmadas de la existencia de la antimateria en la naturaleza. Cabe mencionar que en 1929, ya se habían registrado algunas observaciones de positrones por Dimitri Skobeltsyn, en Rusia, y Chung-Yao Chao, en los Estados Unidos, pero estos científicos no tomaron muy en serio sus propios resultados y dejaron de lado sus observaciones. Por su descubrimiento del positrón, en 1936 C. Anderson recibió el premio Nobel de física a la edad de 31 años.

Poco tiempo después del descubrimiento del positrón, y dado el éxito de su ecuación, Dirac decidió aplicarla a los protones. Una predicción natural de su teoría fue entonces la existencia de antiprotones. Su detección no fue tarea sencilla y tuvo que esperar hasta la llegada de los aceleradores de partículas de altas energías. El ansiado descubrimiento ocurrió hasta 1955 en el laboratorio de radiación de la Universidad de California, Estados Unidos. Para crear antiprotones, sus descubridores emplearon haces de protones acelerados a muy alta energía que hacían chocar contra blancos fijos. Estudiando cuidadosamente los restos de la colisión con detectores de partículas, Emilio Segrè y sus colegas encontraron finalmente el tan anhelado premio: el antiprotón. Esta nueva técnica abrió el camino para el descubrimiento de nuevas antipartículas. Precisamente, tan sólo un año después al descubrimiento del antiprotón, Bruce Cork y su equipo encontraron la antipartícula del neutrón con ayuda del mismo acelerador de partículas empleado en el experimento anterior.

Mundos de antimateria

P. A. Dirac recibió el premio Nobel en física en 1933, pero por sus contribuciones al desarrollo de la teoría atómica. Como es tradición, durante la ceremonia el laureado dicta una conferencia donde habla sobre su trabajo y la visión que tiene sobre su campo de estudio. Tal fue el caso de Dirac, quien durante la ceremonia discutió sobre la teoría de los electrones y positrones y terminó discutiendo la posibilidad de que existan estrellas formadas completamente por antimateria. La idea, hoy retomada por la ciencia ficción, posee fundamentos científicos. Al final, si la materia y la antimateria se comportan de la misma manera, nada previene a esta última de formar también estrellas e incluso planetas, galaxias y seres vivos.

Lamentablemente debido a que el comportamiento de la materia y la antimateria es parecido, no es posible distinguir objetos celestes hechos de antimateria empleando únicamente la luz que procede de ellos. Para esto se tiene que recurrir a técnicas indirectas. Una de ellas consiste en buscar halos de radiación gamma en torno a objetos celestes. Si existieran estrellas o mundos de antimateria, estos deberían estar acompañados de dichos halos, que serían el resultado de la aniquilación de la antimateria del objeto con la materia del espacio. Por ejemplo, si en nuestro sistema solar algunos planetas estuvieran hechos de antimateria estos estarían emitiendo continuamente rayos gamma al contacto con el viento solar (formado por partículas de materia de gran velocidad liberadas por el Sol). Señales de esta clase no se han encontrado en nuestro sistema solar ni en torno a nuestro vecindario galáctico. De esta forma se descarta la presencia de antimateria en grandes cantidades al menos dentro de un radio de decenas de millones de años luz de la Tierra (Un año luz es la distancia que la luz recorre en un año).

Otra forma de buscar antiestrellas o antigalaxias en el universo es mediante la detección de núcleos atómicos de antimateria entre los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son partículas de alta energía liberadas por diferentes objetos celestes en el universo, como las estrellas, las galaxias, los púlsares y las Supernovas, entre otros. Analizando la composición de los rayos cósmicos se puede tener una idea de la composición del objeto celeste que los emitió y del ambiente que le rodeaba. De esta forma, si existen objetos celestes de antimateria en el universo estos podrían estar emitiendo rayos cósmicos de antipartículas, algunas de las cuales podrían estar llegando a la Tierra. Para probar este escenario, los detectores espaciales PAMELA y AMS (este último instalado en la Estación Espacial Internacional) están urgando entre los rayos cósmicos en busca de antinúcleos de antihelio (es decir, de las contrapartes de los núcleos atómicos de Helio). La búsqueda se enfoca en estas antipartículas, ya que estas necesitan de los hornos de las antiestrellas para su producción y son muy difíciles de producir por otros medios que no involucran antiestrellas. Esta es la razón por la cual no se emplean a los positrones y a los antiprotones en la búsqueda de señales de antiestrellas. Tanto positrones como antiprotones se producen con relativa facilidad en el universo (como en las colisiones de los rayos cósmicos con el medio interestelar y con la radiación del espacio) y su presencia puede explicarse sin asumir la existencia de antiestrellas. Hasta el momento, no se han detectado antinúcleos de antihelio o de otro antiátomo más pesado.

Los antiátomos

Todos los elementos químicos de la naturaleza están hechos de átomos, que son los mínimos pedacitos de materia que conservan las propiedades químicas del elemento original. Los átomos, como recordaremos, están formados por un núcleo atómico y una nube de electrones que danzan a su alrededor. Los núcleos atómicos, por otra parte, concentran la mayor parte de la masa del átomo y están formados, a su vez, por protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga eléctrica). Si los electrones, protones y neutrones forman átomos, ¿por qué los positrones, antiprotones y antineutrones no podrían formar antiátomos? Dada la semejanza del comportamiento de la antimateria con el de la materia, no hay razón alguna para negar la posibilidad de que se puedan formar átomos de antimateria y, más aún, moléculas y estructuras más complejas de la misma sustancia.

Para probar esto, los científicos decidieron tratar de crear la contraparte del átomo químico más simple y ligero, el del Hidrógeno, compuesto tan sólo por un electrón y un protón. El primer experimento exitoso fue el LEAR, el cual fue llevado a cabo en 1995 en las instalaciones del CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares), en Suiza. El experimento consisitió en enviar un haz de antiprotones contra un gas inerte de Xenón. De las colisiones de los antiprotones con el gas ocasionalmente se generaban positrones, algunos de los cuales se unían a los antiprotones formando antihidrógenos. Hoy en día los antiprotones generados por los aceleradores de partículas se desaceleran hasta velocidades muy bajas respecto a la de la luz y después son almacenados en trampas especiales que hacen uso de campos eléctricos y magnéticos para este fin. Para crear antihidrógeno, los antiprotones son introducidos en otra trampa con positrones y se les deja interactuar entre ellos. Posteriormente, los antihidrógenos son almacenados usando una trampa especial (desarrollada por los científicos del experimento ALPHA del CERN) que emplea campos magnéticos. De esta manera, se tiene tiempo suficiente para llevar a cabo estudios sobre el comportamiento del antihidrógeno.

Además de estos antiátomos ligeros, cabe mencionar que también se han generado antinúcleos atómicos bastante simples, como antideuterio (formado por un antiprotón y un antineutrón) y antitritio (compuesto de un aniprotón y dos antineutrones). A este respecto, en este año, científicos del RHIC (Colisionador de Iones pesados relativistas) en Brookhaven, Estados Unidos, anunciaron la creación, por primera vez, de núcleos atómicos de antihelio (formados por dos antiprotones y dos antineutrones) a través de las colisiones de haces de núcleos atómicos de oro de muy alta energía.

El comportamiento de la antimateria ante las fuerzas de la naturaleza

Hasta el momento, se han identificado cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan la dinámica del universo, estas son, en orden de intensidad: las fuerzas fuerte, electromagnética, débil y gravitacional. La fuerza fuerte une a los protones y neutrones dentro del núcleo atómico y es responsable de las reacciones de fisión y fusión nuclear. La fuerza débil se encuentra detrás de algunos decaimientos radioactivos (como el decamiento beta en donde se emiten electrones y neutrinos). Por otra parte, la fuerza electromagnética gobierna todos los fenómenos eléctricos y magnéticos, e incluso los asociados con la luz, mientras que la gravitacional se encarga de crear planetas, estrellas, agujeros negros, galaxias, etc., y de mantenernos unidos a la Tierra.

Experimentos hechos con antipartículas en laboratorios nos han mostrado que las fuerzas electromagnética y fuerte no diferencian entre materia y antimateria. Para dichas fuerzas, ambas sustancias se comportan igual. En estos experimentos se analiza el comportamiento de las partículas elementales y se confronta con el de sus respectivas antipartículas en busca de diferencias. En estos estudios suelen estudiarse la intensidad con la que se acoplan las partículas y antipartículas con las fuerzas electromagnética y fuerte en diferentes procesos (aniquilaciones, colisiones, decaimientos, emisión de radiación), la proporción en la que se presentan estas reacciones, la forma en que se distribuyen los productos secundarios al final de los procesos, etc. Desde hace tiempo se sospechaba que los antiátomos debían comportarse de forma similar que los átomos bajo la fuerza electromagnética (como en la emisión de luz), pero esto no fue demostrado hasta el 2010 por las investigaciones realizadas por los científicos del experimento ALPHA del CERN. Ellos encontraron, dentro de los límites de precisión que permite el experimento, que la emisión de luz del antihidrógeno, no muestra diferencia alguna con la del hidrógeno.

El caso de la fuerza débil es diferente. Esta si distingue entre materia y antimateria y actúa de forma ligeramente diferente en cada una de ellas. Esto se ha probado en experimentos como el BaBar en Estados Unidos y el BELL de Japón, donde se han comparado las razones de desintegración de ciertas partículas llamadas B (formadas por otras más pequeñas llamadas quarks) y sus contrapartes antipartículas. Cabe mencionar que el grado de asimetría observado entre el comportamiento de la materia y la antimateria bajo los efectos de la fuerza débil es muy pequeño.

Respecto a la fuerza gravitacional, hasta el momento no existe motivo para sospechar que la antimateria deba comportarse de forma diferente a la materia. Incluso, en principio, tanto la materia como la antimateria deben atraerse mutuamente por acción de la fuerza gravitacional por el simple hecho de tener masa. Esto parece estar respaldado por las teorías modernas, sin embargo, no está aún comprobado experimentalmente.

¿Antigravedad?

Sabemos que la fuerza de gravitación es una fuerza atractiva que actúa sobre la materia. Esta da lugar a la gravedad, la cual permite a la Tierra atraer a los objetos hacia ella. Pero, ¿podría la fuerza de gravitación actuar de forma distinta sobre la antimateria produciendo una fuerza de antigravedad? De ser así, la antimateria, en lugar de ser atraída por la materia sería repelida por ella. La idea de la antigravedad, que seguro habremos escuchado en algún relato de ciencia ficción, no es nueva, y tiene más de 100 años.

Al momento, la prueba más directa sobre la existencia de la antigravedad en la antimateria fue realizada por el equipo del experimento ALPHA. Para ello, desconectaron la trampa magnética donde acumulan antihidrógeno y llevaron a cabo mediciones para saber si los antiátomos caían hacia la Tierra o eran repelidos gravitacionalmente por ella. Dada la dificultad del experimento, los resultados no pudieron descartar la presencia de la antigravedad, pero sí colocaron límites al valor que podría tener en caso de que existiera.

La asimetría de materia y antimateria en el universo

Dado que la materia y la antimateria se comportan igual ante las fuerzas de la naturaleza, se esperaría que la naturaleza equilibrara el número total de partículas y antipartículas presentes en el universo. Esto se observa cotidianamente en los laboratorios de física de partículas. Bajo esta línea de razonamiento esperaríamos que al inicio del universo se formara la misma cantidad de materia y antimateria. Sin embargo, como explicamos antes, las observaciones astronómicas parecen indicar que nuestro universo está hecho predominantemente de materia. ¿Dónde quedó la antimateria que debío haberse formado con el nacimiento del universo?

De acuerdo a la teoría cosmológica moderna, que explica como evolucionó nuestro universo poco tiempo después de la gran explosión, la presencia de materia y antimateria en iguales cantidades hadría desembocado en una gran producción de energía debido a la aniquilación mutua de ambas sustancias. Al momento presente, esta energía se observaría en forma de un gran número de paquetes de luz llamados fotones que estarían vagando por el universo. La teoría predice cuál debería ser la proporción del número actual de partículas de materia respecto al de fotones. Pero, cuando se confronta este número con el que se extrae de las observaciones astronómicas resulta ser que el valor teórico es alrededor de mil millones de veces menor al observado. Esto implica que hay más materia de la esperada. Algo así podría explicarse si al inicio del universo hubiera existido un desbalance en la cantidad de materia y antimateria. En palabras de A. Einstein: “Por cada mil millones de partículas de antimateria había mil millones más una partículas de materia. Y cuando la mutua aniquilación se completó, una mil millonésima permaneció - y ese es nuestro universo presente”.

¿De dónde provino esta asimetría en la cantidad de materia y antimateria en el universo? Lamentablemente nuestras teorías físicas no son capaces de decirnos a qué se debió. Con ayuda de los experimentos, se han buscado posibles fuentes de tal asimetría. Lo que se ha encontrado por el momento es que la fuerza débil parece contribuir con una pequeña parte a la diferencia, pero no con lo suficiente como para explicar la asimetría observada. Se sospecha que la solución al problema de la asimetría materia-antimateria debe hallarse en procesos físicos que involucran nueva física, desconocida por el momento, que debieron manifestarse durante los primeros instantes del universo. Desafortunadamente, esto no puede ser probado, ya que el hombre no cuenta actualmente con los medios de reproducir experimentalmente las condiciones extremas que imperaban durante los primeros instantes después del nacimiento del universo.

Otra posibilidad, que ya se discutió, es que quizás una buena parte de la antimateria si sobrevivió a la aniquilación y se encuentra actualmente en algún rincón del universo en forma de planetas, estrellas y galaxias. Como ya comentamos, al momento las búsquedas de la antimateria en esta forma han sido infructuosas.

¿Cómo se produce la antimateria?

Los científicos han identificado dos mecanismos importantes de producción de antimateria: el primero es mediante colisiones de altas energías partícula-partícula, luz-luz y luz-partícula. Mientras que el segundo involucra ciertas formas de decaimiento radioactivos de las partículas o núcleos atómicos.

Las colisiones de alta energía que producen antimateria se presentan naturalmente en muchos rincones del universo e incluso en la atmósfera de nuestro planeta. Más allá de nuestro sistema solar, estas colisiones aparecen en torno a fenómenos muy violentos y energéticos donde se emite radiación de muy alta energía. Esta al tratar de escapar de la fuente choca con la materia y luz del medio produciendo partículas y antipartículas. Choques similares se presentan cuando la radiación cósmica se propaga a través del universo, al encontrarse con el material interestelar y la luz de fondo que permea el universo, o al toparse con la atmósfera de otras estrellas o planetas, como el nuestro. Sabemos, por ejemplo, que la radiación cósmica de alta energía produce continuamente chubascos de partículas y antipartículas en nuestra atmósfera a su llegada a la Tierra. Afortunadamente esta radiación no es muy energética cuando llega a la superficie de nuestro planeta.

Los científicos también producen antimateria en los laboratorios empleando para ello los aceleradores de partículas. La técnica consiste en acelerar partículas de materia a muy altas energías para después hacerlas colisionar con blancos fijos u otros haces de partículas de altas energías. Laboratorios como el del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN o el RHIC en Brookhaven, producen una gran cantidad de antipartículas de esta forma.

Por otra parte, muchas partículas o núcleos atómicos son inestables y tienden a desintegrase produciendo partículas y antipartículas en el proceso. Un ejemplo de ello es el decaimiento beta del neutrón (n → p + e- + ν‾) en donde esta partícula se transforma, por acción de la fuerza débil, en un protón (p), un electrón (e-) y un antineutrino (ν) esta última es la contraparte del neutrino, la partícula más penetrante conocida por el hombre. Otro ejemplo lo constituye el decaimiento beta positivo del protón dentro de un núcleo atómico (p → n + e+ + ν) bajo el cual el protón del núcleo se convierte en un neutrón emitiendo un positrón (e+) en el proceso. Varios elementos radioactivos de origen natural o artificial decaen mediante estos mecanismos. Uno de ellos es el potasio 40 ó 40K, un isótopo derivado del potasio 39 (39K) que es estable y más abundante (un isótopo es un átomo que tiene la misma cantidad de protones que el elemento del que procede, pero diferente número de neutrones). El 40K se encuentra presente en pequeñas cantidades entre el potasio 39 de la naturaleza e incluso de nuestro cuerpo. Dada la cantidad de 40K en un cuerpo adulto se ha estimado que el cuerpo humano emite alrededor de 3500 de positrones por día mediante el decaimiento beta positivo de este elemento. Las reacciones beta también se presentan en el interior de las estrellas, como en nuestro Sol.

Aplicaciones

La antimateria ha encontrado sus aplicaciones en diferentes áreas. En la física se le ha empleado como herramienta para estudiar las leyes y simetrías físicas que gobiernan el comportamiento de la naturaleza, también para poner a prueba los principios físicos que guían nuestras teorías e incluso para crear nuevas partículas en colisiones con la materia y estudiar sus propiedades. Al respecto, recientemente, se propusó la construcción de un acelerador lineal de positrones y electrones con objeto de estudiar las propiedades del recién descubierto bosón de Higgs.

Otra de las aplicaciones de la antimateria se halla en el campo de la medicina para sondear el interior del cuerpo humano, como tumores, tejidos y órganos, y su actividad (actividad neuronal, absorción de fármacos). La técnica, denominada tomografía por emisión de positrones (TEP), consiste en obtener una imagen de la zona de interés por medio de sustancias radiactivas (basadas en carbono, nitrógeno, oxígeno y flúor) que emiten positrones en su desintegración (decaimiento beta positivo). Estas sustancias se combinan con fármacos que son absorbidos fácilmente por los tejidos que se desean estudiar. Cuando estas sustancias se concentran en la zona de interés la emisión de positrones se intensifica en esa zona, produciendo radiación gamma al aniquilarse con los electrones del medio. Los rayos gamma se registran con ayuda de detectores especiales de radiación, y con estas mediciones se obtiene una imagen (tomografía) de la región de estudio.

Dentro de la medicina también se están empleando haces de antiprotones para atacar tumores y tejido canceroso dentro del cuerpo humano. La técnica, denominada hadronterapia, emplea haces de hadrones como protones, antiprotones, neutrones y núcleos atómicos – los hadrones son partículas compuestas de otras más fundamentales llamadas quarks y antiquarks. Los hadrones, a diferencia de los rayos X, tienen la ventaja de que dañan en menor medida al tejido sano que se encuentra alrededor del tumor. Esto se debe a que depositan la mayor parte de su energía en la zona deseada. Esta energía tiende a romper el ADN del tejido que se desea destruir más allá del punto de reparación. A diferencia de los haces de partículas, los de antiprotones tendrían la ventaja adicional de que al llegar a la zona deseada se aniquilarían, depositando energía adicional y causando mayor daño que los haces de partículas.

Por otra parte, también se usa antimateria para buscar imperfecciones en el interior de diversos materiales, por ejemplo: metales, semiconductores, cristales, aleaciones y materiales porosos. Para ello, se envían haces de positrones al interior de estos materiales. Ya en el interior, los positrones se difunden y después de un tiempo emiten rayos gamma al aniquilarse con los electrones del medio. El tiempo que viven estas antipartículas está relacionado con la presencia y número de imperfecciones o fracturas en el medio. Midiendo este tiempo (registrando los rayos gamma que resultan de la aniquilación positrón-electrón) se determina entonces la calidad y las imperfecciones del material. A esta técnica se le llama espectroscopía por aniquilación de positrones.

Una técnica similar a la anterior emplea haces de antimuones (la antipartícula del muón, una partícula penetrante, parecida al electrón, pero más pesada). Estos, al entrar al interior del material, pueden combinarse con los electrones del medio que se quiere estudiar produciendo un sistema ligado llamado muonio, que es inestable. La orientación de esta nueva partícula es muy sensible a los campos magnéticos del medio, y puede ser usada para estudiar las propiedades magnéticas del material bajo estudio (como superconductores, semiconductores, etc).

El futuro

¿Cañones de antimateria? ¿Reactores? ¿Tanques portátiles de almacenamiento de antimateria? Varias de estas ideas han sido consideradas seriamente por los científicos e ingenieros. Actualmente ya existen cañones de antimateria de tamaños variables. El más pequeño, es un cañón de positrones de poco menos de un metro de largo construido por investigadores de la Universidad de Michigan. En el Laboratorio Nacional Fermi, Estados Unidos, se construyó el Tevatrón, un acelerador de antiprotones y protones de 2 km de diámetro que por mucho tiempo se usó para estudiar el interior de la materia. Mientras que en el CERN, se contaba con el colisionador LEP, de 27 km de circunferencia, donde se creaban haces de positrones y electrones para investigaciones en física de partículas.

Se está trabajando también en el diseño de tanques portátiles de almacenamiento de antimateria. Esto permitiría transportar a las antipartículas a hospitales y laboratorios para diferentes aplicaciones. Una de las aplicaciones más importantes de la antimateria sería en la generación de energía para diversos propósitos. La reacción de aniquilación materia-antimateria es el proceso más eficiente conocido en la naturaleza. Aquí, el 100% de la masa se convierte en energía (en comparación en las reacciones de fisión y fusión nuclear se transforma sólo el 0.1 % de la masa total en energía). La cantidad de energía que se produciría por la aniquilación de un gramo de materia-antimateria sería enorme de acuerdo a la famosa ecuación de A. Einstein E = mc2 (donde c es la velocidad de la luz en el vacío, equivalente a treinta mil millones de cm por segundo). Esta energía sería capaz de mantener encendidos cerca de diez mil focos de 100 Watts por un año. El problema es que producir tal cantidad de antimateria por los medios actuales resulta ser muy caro y tardado. Por ejemplo, en el CERN, crear tan sólo un gramo de antimateria tomaría 100 mil millones de años.

El desarrollo de bombas de antimateria también ha sido considerado seriamente. Es lamentable que el conocimiento científico frecuentemente sea empleado de esta forma. Por lo pronto, tanto el presente como el futuro de las aplicaciones de la antimateria en favor de la humanidad es bastante prometedor.