jueves, 10 de septiembre de 2009

LA ANTIMATERIA

Qué diantre es la antimateria


Me preguntaron si yo sabía qué era la antimateria y contesté: “Sí, la materia formada por antipartículas”. “¿Y qué son las antipartículas?”, prosiguió mi contertulio. “Partículas como las que conocemos, pero con carga opuesta. Por ejemplo, un antiprotón es un protón con carga negativa”. Me detuve al darme cuenta que en realidad no entendía qué diantre era la antimateria…

Por suerte en casa de Antonio había un físico. Le preguntamos. Tras el típico “No es mi campo” logramos arrancar la siguiente explicación: “la antimateria es como la materia ordinaria, pero con partículas de carga contraria. Como el positrón, que es un electrón con carga positiva”. Y se quedó tan ancho. “¿Pero qué es? ¿de dónde salen estas partículas?”, insistimos. “Ya os he dicho que no era mi campo…”

Alguien sacó un iPhone y leyó la entrada de Wikipedia : “la antimateria se compone de antipartículas de la misma manera que la materia de partículas. Por ejemplo, un antielectrón (electrón con carga positiva) y un antiprotón (protón con carga negativa) podrían formar un átomo de antihidrógeno…”

Desesperado, al llegar a casa envié un mail a Gonzalo , físico de partículas que trabaja con el CERN , preguntándole cuando podíamos charlar por Skype.




Gonzalo Merino

Investigador del CIEMAT y coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España en el PIC de Barcelona.






Pere: Gonzalo, ¿qué es la antimateria?

Gonzalo: Es la materia hecha de antipartículas…

P: Espera!!! Ya se; como el antiprotón y el antielectrón. Pero ¿qué es un antiprotón? ¿de dónde sale? Yo quiero entenderlo a un nivel fundamental.

G: Pues entonces debemos remontarnos al 1928 y hablar de Paul Dirac. De hecho es una historia muy bonita. Paul Dirac era un genio, el típico físico teórico que se pone a hacer cálculos, y con sus ecuaciones predice la existencia de algo que nadie ha visto antes.

P: ¿La antimateria?

G: Sí, en ese momento sólo fue una predicción matemática. Su existencia real se observó años después.

P: ¿Como la búsqueda del bosón de Higgs con el LHC, que estáis seguros de su existencia a pesar de no haberlo visto todavía?

G: Exacto, pero lo de Dirac fue mucho más notorio…

P: ¿Cómo “descubrió” la antimateria?

G: Uff… es difícil de explicar. A ver… A principios del siglo XX había varias revoluciones en marcha en el mundo de la física. En 1905 Einstein presentó su relatividad especial, que daba lugar a la famosa E=mc2 de las camisetas, según la cual la materia y la energía eran intercambiables. La otra gran revolución era la cuántica de Heisenberg, Bohr y compañía… que describía el comportamiento de las partículas subatómicas. Ambas funcionaban muy bien, pero eran teorías separadas.

Lo que Paul Dirac intentaba hacer era unirlas matemáticamente; crear una mecánica cuántica relativista. En concreto lo que pretendía era poder describir el electrón, lo más sencillo que uno se podía imaginar. Entonces... al combinar las ecuaciones de la relatividad y la cuántica le apareció la “ecuación de Dirac”, cuyo resultado describía el electrón. Pero había algo curioso: la ecuación de Dirac tenía dos soluciones matemáticas, una negativa (que era el electrón de toda la vida) y otra idéntica, totalmente simétrica, pero con carga positiva. Concluyó que si sus ecuaciones eran ciertas, en algún sitio debía existir una partícula idéntica al electrón pero con carga positiva.

P: wow… ¿y más tarde se descubrió?

G: Si, si… 4 o 5 años después de que Dirac los predijera se observaron experimentalmente los positrones (electrones positivos).

P: …

G: Claro! Y luego se buscaron el resto de antipartículas… Dirac lo hizo para el electrón, pero si las matemáticas establecían que la naturaleza debía respetar esta simetría, para un protón también debía existir un antiprotón. Y así para toda la materia. Es un postulado.

P: Pero a ver… yo tengo en frente mío un ordenador hecho de átomos, que están constituidos de protones, de quarks, de electrones… ¿aquí hay antipartículas también?

G: No, no… todo lo que nos rodea es materia, no antimateria. Imagino que tu querrías saber dónde están las antipartículas, no?

P: Qué perspicaces sois los científicos…

G: Entonces… Estoooo…. Big Bang!!!

P: Big Bang???

G: Sí! Big Bang.

P: Háblame del Big Bang…

G: Bien. Tal y como lo conocemos ahora, toooooodo empezó hace 13.700 millones de años, en una concentración de temperatura y densidad infinita. Al principio todo era energía concentrada en un punto. Luego cuando el Universo empezó a expandirse se fue enfriando, y por E=mc2 cierta energía comenzó a transformarse en materia. Pero claro! Según lo que comentamos de Dirac, en teoría se formaron tanto partículas como antipartículas. Pero, y esto es muy importante, otra cosa que sabemos es que cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se anihilan y forman energía.

P: ¿y?

G: Vale. Si en el Big Bang todo hubiera sido absolutamente simétrico, la energía hubiera generado partículas y antipartículas por igual, que luego se hubieran destruido formando más energía hasta llegar a un cierto equilibrio térmico, en el que ni nosotros ni nada existiría. Entonces, el hecho que tengas delante un ordenador hecho sólo de materia nos dice que en el origen del Universo hubo algún tipo de asimetría entre materia y antimateria. Es decir, las leyes de la naturaleza contienen alguna asimetría que favoreció a la materia frente a la antimateria. Lo que sabemos ahora es que… a ver que no me equivoque de ningún cero… por cada mil millones de antipartículas se formaron mil millones más una partículas. Estos miles de millones se aniquilaron entre ellos, y las partículas “sueltas” de materia, las desapareadas, son las que empezaron a formar átomos, galaxias, tu ordenador y el mundo tal y como lo conocemos.

P: ¿Y esto sabéis seguro que fue así?

G: Sí, si… esto fijo, fijo. (risas). La prueba experimental viene del fondo de radiación de microondas.

Este fondo son los fotones que nos llegan del otro extremo del universo, que se originaron durante la aniquilación de la sopa de partículas y antipartículas. Hoy en día por cada partícula de materia que vemos en las galaxias, o donde sea, podemos contar mil millones de fotones del fondo de radiación de microondas.

P: Qué te iba a decir… por tanto, en principio ahora no queda nada de antimateria.

G: Bueno, la que los físicos creamos.

P: Explícate.

G: Es lo que se hace en el CERN, o en otros laboratorios de partículas. Hoy en día, si juntas suficiente energía en un punto puedes crear materia por la E=mc2.

P: Y antimateria!

G: Claro, en cada colisión del CERN siempre se forman partículas y antipartículas. Las antipartículas se destruyen enseguida cuando chocan con las paredes del detector, pero nos da tiempo de registrarlas para estudiarlas.

P: En Ángeles y Demonios iban guardando la antimateria en una cajita para luego crear una bomba.

G: Ya, pero es imposible. Confinar antimateria es algo tremendamente complicado, porque se aniquila inmediatamente al encontrarse con cualquier átomo de materia. Se puede conseguir con campos magnéticos, haciendo que no toque nada, pero es dificilísimo. Hay experimentos en el CERN que generan antielectrones y antiprotones, los enfrían hasta prácticamente frenarlos, los mantienen aislados de la materia, y llegan a construir átomos de antihidrógeno.

P: ¿Eso se ha logrado?

G: Sí, se han creado antiátomos de hidrógeno. Con ellos intentan averiguar cosas muy curiosas. Por ejemplo ¿cómo les afecta la gravedad? ¿caen hacia arriba o hacia abajo? ¿existe la gravedad negativa? A priori se deberían comportar igual… pero todavía no hay ninguna comprobación experimental.

P: Alucinante…

G: Sí, son experimentos pequeños pero muy cachondos. El LHC roba toda la atención del CERN, pero hay un montón de grupos pequeños haciendo investigaciones muy fundamentales, que podrían generar grandes sorpresas. Imagínate si contrariamente a lo esperado resulta que un antiátomo de hidrógeno sube por la gravedad en lugar de caer!

P: Fantástico. Entonces: tener para una bomba de antimateria queda descartado, no?

G: Totalmente. Porque aún suponiendo que se pudiera confinar, si el CERN se hubiera dedicado a guardar antimateria durante sus 50 años de historia, como máximo habría generado unos pocos nanogramos. Para fabricar la bomba de Ángeles y Demonios se necesitaría como mínimo un gramo. Tardaríamos mil millones de años en reunir esa cantidad. No tiene ningún sentido.

P: Oye, y lo del PET (Tomografía de Emisión de Positrones)?

G: Exacto. En la vida real también hay antipartículas, y el caso más típico es el PET que encontramos en los hospitales, que utiliza antipartículas para diagnosticar el cáncer.

P: ¿Cómo se generan?

G: Con radioactividad. Hay elementos que son radioactivos por naturaleza y se desintegran siguiendo una reacción nuclear. El PET es eso; te inyectan una sustancia radioactiva que al desintegrarse emite un positrón. Ese positrón inmediatamente encuentra un electrón de tu cuerpo y se aniquila generando energía, fotones. Lo que detecta el aparato son esos fotones, y con ellos genera una imagen del interior de tu cuerpo.

P: Qué grande la antimateria… Gonzalo, eres un crack.

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