miércoles 10 de agosto de 2022

Teorías

Física de partículas: la antimateria

"La antimateria propiamente dicha es real e incluso se ha creado artificialmente en la Tierra", asevera Néstor Vidal en su columna de opinión.

domingo 19 de junio de 2022
Física de partículas:  la antimateria

Por Néstor Vidal

Las naves espaciales de ciencia ficción a menudo se mueven mediante «propulsores de antimateria», y sin embargo la antimateria propiamente dicha es real e incluso se ha creado artificialmente en la Tierra. Una imagen especular de la materia con energía negativa, la antimateria no puede coexistir con la materia durante mucho tiempo; ambas se aniquilan con una descarga de energía si entran en contacto. La propia existencia de la antimateria sugiere profundas simetrías en la física de partículas.

La antimateria fue augurada en el año 1920 y descubierta en el año de 1930 al unir la teoría cuántica y la relatividad. Es una imagen especular de la materia en la que las cargas de partículas, las energías y otras propiedades cuánticas son de signo invertido. Por tanto, un antielectrón, llamado positrón, tiene la misma masa que el electrón, pero en cambio tiene carga positiva. Del mismo modo, los protones y otras partículas tienen hermanos de antimateria opuestos.

 «Por cada mil millones de partículas de antimateria había mil millones de partículas de materia. Y cuando la mutua aniquilación se completó, quedó una millonésima, que es nuestro actual universo.» Albert Einstein, 1879-1955

ENERGÍA NEGATIVA

Al crear una ecuación para el electrón en el año 1928, el físico británico Paul Dirac vio que ofrecía la posibilidad de que los electrones pudieran tener energía negativa además de positiva. Dirac tenía dos formas de resolver su problema: se esperaba que la energía positiva asociada a un electrón normal, pero su energía era negativa y esta no tenía sentido. En lugar de ignorar este término confuso, Dirac sugirió que estas partículas existían realmente. Este estado complementario de la materia es la «antimateria».

ANTIPARTÍCULAS

La caza de la antimateria comenzó sin demora. En el año 1932, Carl Anderson confirmó la existencia de positrones experimentalmente. Seguía el rastro de lluvias de partículas producidas por los rayos cósmicos. Observó la trayectoria de una partícula cargada positivamente con la masa del electrón, el positrón. Por tanto, la antimateria ya no era simplemente una idea abstracta, sino que era real.

Pasarían dos décadas más antes de que fuera detectada la siguiente antipartícula, el antiprotón. Los físicos construyeron nuevas máquinas aceleradoras de partículas que utilizaban los campos magnéticos para incrementar la velocidad de las partículas que viajaban por su interior. Estos poderosos rayos de protones acelerados produjeron suficiente energía para revelar el antiprotón en el año 1955. Al cabo de poco, se descubrió también el antineutrón. Con los bloques constituyentes de la antimateria en su lugar, ¿era posible construir un antiátomo o, al menos, un antinúcleo? La respuesta, tal y como se confirmó en el año 1965, era que sí. Se creó un antinúcleo de hidrógeno pesado (deuterio), un antideuterio, que contenía un antiprotón y un antineutrón, en el CERN europeo y en el Laboratorio norteamericano Brookhaven. Agregar un positrón a un antiprotón para formar un antiátomo de hidrógeno (antihidrógeno) tardó un poco más, pero se logró en el año 1995. Actualmente los investigadores están analizando si el antihidrógeno se comporta de la misma forma que el hidrógeno normal.

En la Tierra, los físicos pueden crear antimateria en aceleradores de partículas, como los del CERN en Suiza o el Fermilab cerca de Chicago. Cuando los rayos de partículas y antipartículas se encuentran, se aniquilan mutuamente con una descarga de energía pura. La masa se convierte en energía de acuerdo con la ecuación de Einstein, E=mc2.

ASIMETRÍAS UNIVERSALES

Si la antimateria se extendiera por el universo, estos episodios de aniquilación tendrían lugar continuamente. La materia y la antimateria se destruirían una a otra gradualmente con pequeñas explosiones, barriéndose mutuamente. Como habitualmente no observamos esto, será que no hay demasiada antimateria en el mundo. De hecho, la materia normal es la única forma extendida de partículas que vemos. Por tanto, desde el principio de la creación del universo ha tenido que existir un desequilibrio en el sentido de que se creó más cantidad de materia normal que de su opuesta antimateria.

PAUL DIRAC (1902-1984)

Paul Dirac fue un físico británico de gran talento, aunque tímido. La gente bromeaba porque su vocabulario consistía en «», «no» y «no lo sé». En una ocasión dijo: «En la escuela me enseñaron que no debía empezar nunca una frase si no conocía su final». Lo que le faltaba en labia, lo compensaba con su capacidad para las matemáticas. Su tesis doctoral es famosa por su impresionante brevedad y por lo impactante, al presentar una nueva descripción matemática de la mecánica cuántica. Unificó parcialmente las teorías de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad, aunque también se le recuerda por su excelente trabajo sobre los monopolos magnéticos y por su predicción de la antimateria. Al obtener el Premio Nobel en el año 1933, el primer pensamiento de Dirac fue renunciar a él para evitar la publicidad. Pero cedió al enterarse de que conseguiría más publicidad a causa de su renuncia. 

Como todas las imágenes especulares, las partículas y sus antipartículas están relacionadas por medios de diferentes tipos de simetría. Una es el tiempo.

A causa de su energía negativa, las antipartículas son equivalentes matemáticamente a las partículas normales que retroceden en el tiempo. Por lo tanto, se puede imaginar un positrón como un electrón que viaja del futuro al pasado. La asimetría siguiente se refiere a la carga y a otras propiedades cuánticas, que están invertidas, lo que se conoce como «conjugación de cargas». Una tercera simetría hace referencia al movimiento a través del espacio. Volviendo al principio de Mach, en general los movimientos no se ven afectados si cambiamos la dirección de las coordenadas marcando la cuadrícula espacial. Una partícula que se mueve de izquierda a derecha tiene el mismo aspecto que una que se mueve de derecha a izquierda, o sea, que no cambia ya gire en el sentido de las agujas del reloj o en el contrario. Esta simetría de la «paridad» es cierta en la mayoría de las partículas, pero hay unas pocas para las que no se sostiene. Los neutrinos existen sólo en una forma, como neutrinos zurdos, que sólo giran en un sentido; no existen los neutrinos diestros. Lo inverso es cierto para los antineutrinos, que son todos diestros. Así pues, la simetría de la paridad a veces se puede quebrantar, aunque se conserva una combinación de la conjugación de carga o abreviadamente simetría CP. Igual que los químicos encuentran que algunas moléculas prefieren existir en una versión, como estructura diestra o zurda, es un gran misterio por qué el universo contiene en su mayoría materia y no antimateria. Una diminuta fracción —menos del 0,01%— de la materia del universo está compuesta de antimateria. Pero el universo también contiene formas de energía, incluyendo un gran número de fotones. De modo que es posible que una enorme cantidad de materia y antimateria se creara en el big bang, pero después la mayor parte de ésta fue aniquilada al cabo de poco tiempo. Un minúsculo desequilibrio a favor de la materia sería suficiente para explicar su dominio actual. Para lograrlo sólo hace falta que sobreviviera 1 de cada 10.000.000.000 (1010) de partículas de materia durante una fracción de segundo tras el big bang, aniquilándose las restantes. La materia sobrante probablemente se preservó por medio de una ligera asimetría de la violación de la simetría CP.

Las partículas que pudieran estar involucradas en esta asimetría son una especie de bosón pesado, llamados bosones X, que todavía están por descubrir. Estas partículas masivas se desintegran de una forma ligeramente desequilibrada para producir una leve superproducción de materia. Los bosones X también pueden interaccionar con los protones y hacer que se desintegren, lo que sería una mala noticia ya que significa que toda la materia desaparecerá finalmente en una bruma de partículas aún más finas. Pero la buena noticia es que la escala de tiempo para que esto suceda es muy larga. Que estemos aquí y que nadie haya presenciado nunca una desintegración de un protón significa que los protones son muy estables y que tienen que vivir al menos entre 1017 y 1035 años, o miles de millones de miles de millones de miles de millones de años, inmensamente más que la vida del universo hasta ahora. Pero esto plantea la posibilidad de que el universo envejezca mucho, y entonces incluso la materia normal podría desaparecer un día. 

«En ciencia, uno trata de decir a la gente, de una forma que sea comprendida por todos, algo que nadie sabía hasta entonces. En poesía, es exactamente lo contrario.»

Paul Dirac, 1902-1984

EN SINTESIS: MATERIA DE IMAGEN ESPECULAR. 

 

“Centro de Investigación Forense y Nuevas Tecnologías”

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