Antimateria

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Acelerador de antiprotones del CERN.

En física de partículas, la antimateria es la extensión del concepto de antipartícula a la materia. Así, la antimateria está compuesta de antipartículas, mientras que la materia ordinaria está compuesta de partículas. Por ejemplo, un antielectrón (un electrón con carga positiva, también llamado positrón) y un antiprotón (un protón con carga negativa) podrían formar un átomo de antimateria, de la misma manera que un electrón y un protón forman un átomo de hidrógeno. El contacto de materia y antimateria llevaría a la aniquilación de ambas, dando lugar a fotones de alta energía (rayos gamma) y otros pares partícula-antipartícula.

Notación

La partículas subatómicas de la antimateria tienen cargas opuestas a las partículas de la materia, en la imagen, protón, electrón y neutrón en ambas.

En física se usa una barra horizontal o macrón para diferenciar las partículas de las antipartículas: por ejemplo protón p y antiprotón p. Para los átomos de antimateria se emplea la misma notación: por ejemplo, si el hidrógeno se escribe H, el antihidrógeno será H.

También se utiliza la diferencia de carga eléctrica entre ambas partículas: por ejemplo electrón e y positrón e+.

Dónde está la antimateria

Las hipótesis científicas aceptadas afirman que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones. Pero la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente, dando como resultado energía pura, y sin embargo, el universo que observamos está compuesto únicamente por materia. Se desconocen los motivos por los que no se han encontrado grandes estructuras de antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina bariogénesis, y baraja tres posibilidades:

  1. Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas. Se ha calculado que la diferencia inicial entre materia y antimateria debió ser tan insignificante como de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula.
  2. Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP.[1] Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria.[2] En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de distinta forma con la materia que con la antimateria.[3]
  3. Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada. Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: 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. Sin embargo, éstos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse. La NASA ha enviado la sonda AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) para buscar rastros de antimateria más compleja,[4] que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.

Historia

La ecuación de Dirac, formulada por Paul Dirac en 1928, predijo la existencia de antipartículas además de las partículas de materia ordinarias. Desde entonces, se han ido detectando experimentalmente muchas de dichas antipartículas: Carl D. Anderson, en el Caltech, descubrió el positrón en 1932. Veintitrés años después, en 1955, Emilio Segrè y Owen Chamberlain, en la universidad de Berkeley, el antiprotón y antineutrón.[1]

Pero la primera vez que se pudo hablar propiamente de antimateria, es decir, de "materia" compuesta por antipartículas, fue en 1965, cuando dos equipos consiguieron crear un antideuterón, una antipartícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón. La antipartícula fue lograda en el Acelerador Protón Sincrotrón del CERN, a cargo de Antonino Zichichi, y paralelamente por Leon Lederman, en el acelerador AGS (Alternating Gradient Synchrotron) del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York.[5]

En 1995, el CERN anunció la creación de nueve átomos de antihidrógeno en el experimento PS210, liderado por Walter Oelert y Mario Macri, y el Fermilab confirmó el hecho, anunciando poco después la creación a su vez de 100 átomos de antihidrógeno.

F. J Hartmann, de la Universidad Técnica de Múnich, y un equipo de investigadores japoneses informaron de la creación de un átomo compuesto de materia y antimateria llamado helio antiprotónico \overline{\mathrm{^3He}}. Este átomo constaba de dos protones, dos neutrones, un electrón y un antiprotón en lugar del segundo electrón. El átomo sobrevivió 15 millonésimas de segundo[6]

El 17 de noviembre 2010, los científicos del CERN lograron crear 38 átomos de antihidrógeno, pudiendo preservarlos aproximadamente en un sexto de segundo (172ms). Esto forma parte del proyecto ALPHA que incluye físicos de la Universidad de California, de la Universidad de Berkeley y del Lawrence Berkeley National Laboratory. El equipo de científicos demostró que, entre 10 millones de antiprotones y 700 millones de positrones, se lograron formar 38 átomos estables de antihidrógeno, los cuales, duraron alrededor de dos décimas de segundo cada uno.

A comienzos de 2011 el proyecto ALPHA logró crear más de 300 átomos de antihidrógeno y almacenarlos durante 1000 segundos (16 minutos y 40 segundos), superando en 4 órdenes de magnitud el límite previo.[7]

El 14 de diciembre 2009, científicos de la NASA con la ayuda del telescopio espacial de rayos gamma Fermi, descubrieron rayos de antimateria producidos encima de tormentas eléctricas. El fenómeno es causado por ráfagas de rayos gamma terrestres (TGF) generadas al interior de las tormentas eléctricas y asociados directamente con los relámpagos.[8]

Producción y costo de la antimateria

La antimateria es la sustancia más cara del mundo, con un costo estimado de unos 60.000 millones de USD el miligramo.[9] [10] La producción de antimateria, además de consumir enormes cantidades de energía, es muy poco eficiente, al igual que la capacidad de almacenamiento, que ronda sólo el 1% de las partículas creadas. Además, debido a que la antimateria se aniquila al contacto con la materia, las condiciones de almacenamiento —confinamiento mediante campos electromagnéticos—, tienen igualmente un costo elevado.

Otra estimación de su costo la dio el CERN, cuando dijo que había costado algunos cientos de millones de francos suizos la producción de una milmillonésima de gramo.[11]

Debido a esto, algunos estudios de la NASA plantean recolectar mediante campos magnéticos la antimateria que se genera de forma natural en los Cinturones de Van Allen de la Tierra, o incluso en los cinturones de los grandes planetas gaseosos como Júpiter.[12]

También se trabaja en mejorar la tecnología de almacenaje de antimateria. El Dr. Masaki Hori ha anunciado un método de confinamiento de antiprotones por radiofrecuencia, lo que según sus palabras podría reducir el contenedor al tamaño de una papelera.[13]

En noviembre de 2008 la doctora Hui Chen, del Lawrence Livermore National Laboratory de Estados Unidos, anunció que ella y su equipo habrían creado positrones al hacer incidir un breve, aunque intenso, pulso láser a través de una lámina de oro blanco de pocos milímetros de espesor, esto habría ionizado al material y acelerado sus electrones. Los electrones acelerados emitieron cuantos de energía, que al decaer dieron lugar a partículas materiales, dando también como resultado positrones.[14]

Usos de la antimateria

Si bien la antimateria está lejos de ser considerada una opción por su abrumador costo y las dificultades tecnológicas inherentes a su manipulación, las antipartículas sí están encontrando usos prácticos: la Tomografía por emisión de positrones es ya una realidad. También se investiga su uso en terapias contra el cáncer, ya que un estudio del CERN ha descubierto que los antiprotones son cuatro veces más efectivos que los protones en la destrucción de tejido canceroso,[15] y se especula incluso con la idea de diseñar microscopios de antimateria, supuestamente más sensibles que los de materia ordinaria.[16] Pero el mayor interés por la antimateria se centra en sus aplicaciones como combustible, pues la aniquilación de una partícula con una antipartícula genera energía pura según la ecuación de Einstein E=mc² La energía generada por kilo (9×1016 J/kg), es unas diez mil millones de veces mayor que la generada por reacciones químicas y diez mil veces mayor que la energía nuclear de fisión.[17]

Por ejemplo, se estima que sólo serían necesarios 10 miligramos de antimateria para propulsar una nave a Marte[18]

No obstante, hay que indicar que estas cifras no tienen en cuenta que aproximadamente el 50% de la energía se disipa en forma de emisión de neutrinos, por lo que en la práctica habría que reducir las cifras a la mitad.[19]

Antigravedad

Todavía no se conoce el comportamiento de las antipartículas en un campo gravitatorio: esto se podría observar comprobando si un haz horizontal de positrones o de antiprotones provenientes de un acelerador se curva hacia arriba o hacia abajo en el campo gravitatorio de la Tierra, pero estas partículas producidas por colisiones se desplazan a velocidades próximas a la de la luz en el vacío, por lo que la curvatura a observar estaría en el orden de un diámetro nuclear por kilómetro de longitud del haz (0, 000 000 000 000 1 cm), y por ahora no es posible medir curvas tan pequeñas.

Si las antipartículas o la antimateria se movieran en sentido inverso a la materia común en un campo gravitatorio, se echaría por tierra el principio de equivalencia y con él a la teoría general de la relatividad, aunque no otras teorías relativistas de la gravitación.[20]

Antimateria en la ciencia ficción

Como es lógico, la capacidad energética de la antimateria, unida a lo exótico de su concepto, la ha convertido en un referente en obras futuristas o de ciencia ficción, tanto en combustibles como armamentos. Recientemente además se ha especulado con el peligro de los aceleradores de partículas como método de generar antimateria, por su posible robo con fines terroristas en el libro Ángeles y demonios de Dan Brown. Aunque probablemente la nave más popular que utiliza antimateria como combustible sea la Enterprise de la saga Star Trek.

Véase también

Referencias

  1. a b «La Antimateria».
  2. Difference in direct charge-parity violation between charged and neutral B meson decays,Nature 452, 332-335 (20 de marzo de 2008)
  3. «Ciencia Kanija » Nueva teoría del Universo encaja dos de los mayores misterios».
  4. «The History fo Antimatter - Antimatter in Cosmology - AMS».
  5. «The History fo Antimatter - from 1928 to 1995».
  6. «Los físicos intentan crear átomos de antimateria · ELPAÍS.com».
  7. «Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds».
  8. «NASA's Fermi Catches Thunderstorms Hurling Antimatter into Space».
  9. «Antimatter and Fusion for rocket propulsion». NASA. Consultado el 21-08-2008.
  10. «The monetary density of things - Evil Mad Scientist Laboratories».
  11. «Antimatter Questions and Answers».
  12. «Extraction of Antiparticles Concentrated in Planetary Magnetic Fields» (pdf). NASA. Consultado el 24-05-2008.
  13. http://www.cienciakanija.com/2007/08/14/proyecto-para-almacenar-antimateria-en-una-“papelera”/
  14. «Billions of particles of anti-matter created in laboratory».
  15. «La antimateria es eficaz contra el cáncer».
  16. «El rayo de antimateria más poderoso del mundo».
  17. «Motores de Antimateria».
  18. «La NASA planea utilizar antimateria para viajar a Marte».
  19. «Comparison of Fusion/Antiproton Propulsion systems» (pdf). NASA. Consultado el 24-05-2008.
  20. George Gamow (1962), Gravity, Doubleday & Company, New York; Gravedad, Editorial Universitaria de Buenos Aires, 1963, Antigravedad, páginas 124 a 128.

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