La Antimateria

La antimateria es un tema que cada vez suena más en nuestras vidas diarias. Es común que se mencione en las películas de ciencia ficción, o inclusive de vez en cuando en los noticieros. Hoy quiero hablarles un poco sobre este tema tan interesante de la física de partículas. ¿Qué es? ¿Cómo se forma? ¿Qué diferencias tiene con la materia? ¿Qué se puede hacer con ella? ¿Armamentos? ¿Diagnósticos médicos? ¿Puede usarse como fuente de energía? ¿Por qué casi no vemos antimateria en el universo? En fin, van a ver lo interesante que son las respuestas a estas preguntas, y vamos a comprobar como la naturaleza siempre puede superar a la imaginación humana.

Empecemos por entender qué es la materia. La materia es todo aquello que nos rodea con lo que podemos interactuar. Está compuesta por átomos, que a su vez están compuestos por partículas como  el protón, el neutrón y el electrón. Hay muchísimas otras partículas más que también son materia, pero para el propósito de esta entrada solo hablaremos de estas 3. Todas las partículas tienen ciertas características que las definen, como la masa, la carga eléctrica, o el espín (que es lo que le da propiedades magnéticas a la materia).

La antimateria es exactamente lo mismo pero al revés. Es como si viéramos la materia a través de un espejo, donde lo que antes era Norte ahora es Sur, lo que antes era positivo ahora es negativo y lo que antes era izquierda ahora es derecha. Así pues, a cada partícula de materia le corresponde una antipartícula que comparte características como la masa, pero que tiene carga o espín opuestos. Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón que tiene carga positiva. La antipartícula del neutrón, es el antineutrón, que aunque también tiene carga neutra, tiene sus  polos norte y sur magnéticos invertidos.

La antimateria se comporta exactamente igual que la materia, siguen las mismas reglas. Nada impide que existan mundos, estrellas, galaxias o universos de antimateria, donde todo sea exactamente igual, a excepción de la carga. De hecho ya se han logrado crear átomos de anti-hidrógeno y anti-helio.

Hidrógeno y Anti-hidrógeno

La cosa se pone más emocionante cuando juntan materia con antimateria. Si ustedes hacen chocar una partícula con su respectiva antipartícula, literalmente ambas se aniquilarán entre sí liberando muchísima energía en forma de rayos gamma. Toda la masa combinada de ambas partículas se convierte en energía según la famosa ecuación de Einstein E=mc^2

También es cierto el reciproco, si se introduce mucha energía en un sistema localizado en una región muy pequeña, existen grandes posibilidades de que se cree una partícula con su respectiva antipartícula.

Visto así, las antipartículas parecen ser una consecuencia natural de la ecuación de Einstein, y algunas leyes como la conservación de la carga eléctrica. No pueden crear, solo a partir de energía, una partícula cargada como el protón, sin crear al mismo tiempo otra partícula que tenga la carga opuesta en igual magnitud, el antiprotón.

Esto hace que sea extremadamente difícil poder estudiar a las antipartículas, pues vivimos en un mundo dominado por la materia. De hecho, en promedio un antielectrón vive una millonésima de segundo, antes de que se encuentre con un electrón y se aniquilen. Tan difícil es estudiarlas, que todavía no se sabe si “caen” al sentir los efectos de la gravedad (hay quienes piensan que la antimateria produce antigravedad).

Para poder conservar antimateria por más tiempo se necesita atraparlas usando trampas con campos magnéticos y radiofrecuencias donde literalmente se queden «flotando». Es más, de hecho en Agosto del año pasado se descubrió que había una fina banda de antiprotónes rodeando la Tierra capturada de forma natural por el campo magnético (si se la perdieron pueden ver la noticia aquí). Se estima que en cualquier instante hay aproximadamente 10 microgramos de antiprotones, y 10 miligramos de positrones atrapados en el campo magnético de la Tierra.

Todas estas dificultadas para almacenar y conservar antimateria hacen que actualmente sea la sustancia más cara del mundo. Solo el costo de electricidad para crear un gramo de antimateria, costaría aproximadamente ¡160,000 billones de dólares! Por esa razón muchos consideran que sería más barato mandar naves a recolectar la antimateria capturada en el campo magnético de la Tierra. O mejor aún, recolectar la antimateria atrapada en el campo magnético de Júpiter, que seguramente contiene mucha más. (Cómo dato curioso, si pudieran observar el campo magnético de Júpiter, verían un objeto en el cielo ¡más grande que el Sol!)

¿Por qué alguien quisiera gastar tanto en una sustancia tan difícil de conservar?  Bueno, uno de los mayores intereses en la antimateria es el potencial que tiene para liberar gran cantidad de energía con facilidad. Tanta es la energía que se libera, que se estima que para hacer un viaje a Marte, solo se requerirían ¡10 miligramos de antimateria! Es algo que aprovechan mucho en la ciencia ficción, donde usan la antimateria como combustible y como armamento. Por ejemplo el Enterprice en Star Trek funciona con antimateria.

Tanta energía suena peligroso en manos equivocadas, ¿es posible una bomba de antimateria? Técnicamente, sí, pero no en nuestros tiempos. Falta mucho tiempo para que la humanidad sea capaz de crear algo así. En la actualidad, con la antimateria que tenemos apenas podemos calentar una taza de café. Mejor así, con lo tontos que somos, sí algún día se llegará a crear armamento de antimateria, seguramente sería el fin del mundo.

Bueno, bueno, quizá estoy exagerando, tampoco hay que ser catastrofistas, la antimateria tiene mucho potencial para otras cosas, entre ellas la medicina, donde ya se pueden hacer tomografías por emisión de positrones. La técnica básicamente consiste en introducir al torrente sanguíneo del paciente, un compuesto inestable, que al decaer emita un positrón. El positrón emitido no tarda en encontrar un electrón con el cual aniquilarse y producir rayos gamma. Posteriormente cuando los rayos gamma son detectados se calcula la posición en la que se aniquilaron el electrón y positrón, y con ello se realiza la tomografía. Es muy interesante, si les interesa leer más sobre el tema, les recomiendo leer aquí.

Otro de grandes misterios de la antimateria es ¿Por qué existe tan poca? ¿Por qué vivimos en un universo dominado por la materia, si se supone que materia y antimateria se crean en partes iguales? En realidad esta asimetría es buena, un universo con cantidades iguales de materia y antimateria, es lo mismo que un universo sin nada de materia. Sería un universo demasiado inestable con materia y antimateria aniquilándose por todos lados, no podrían existir las estrellas, ni las galaxias y mucho menos nosotros.

La teoría más aceptada dice que en los comienzos del universo, después del Big Bang, había un pequeñísimo exceso de materia, que bastó para ganar la batalla por el control del universo. Por cada 10,000 millones de partículas de antimateria, debía de haber 10,000 millones más 1 partículas de materia.

Otros dicen que la antimateria no tiene propiedades exactamente simétricas con la materia, por lo que no es necesario ese pequeño exceso de materia. Y por último hay quienes dicen que en realidad existen regiones del universo hechas de antimateria, pero que al ser idéntica a la materia, no las podemos distinguir. Sin embargo, si estas regiones se encontrasen con materia, sería fácil localizarlas debido a la cantidad masiva de energía liberada debido a la aniquilación, pero al día de hoy no se ha observado nada.

Con esta entrada participamos en la XXVII edición del Carnaval de la Física que este mes se celebra en El Tao de la Física