Diez cosas que tal vez no sepa sobre la antimateria Understand article

Traducción de Elisa López Schiaffino. La antimateria ha sido fuente de inspiración para muchas historias de ciencia ficción. Esta información fascinante demuestra que no es solamente un concepto exclusivo de la fantasía.

Ilustración abstracta de un
choque de partículas de alta
energía

GiroScience/Shutterstock.com

En el libro Ángeles y Demonios, el profesor Langdon intenta salvar a la Ciudad del Vaticano de una bomba de antimateria. Y en Star Trek, un choque de materia y antimateria provee energía para que la nave Enterprise se impulse a una velocidad más rápida que la luz. Pero la antimateria no es solo cuestión de ciencia ficción: aunque estos panoramas son exagerados, hay mucha información sobre la antimateria que despertarán su curiosidad.

1. La antimateria debería haber destruido toda la materia del universo

Las partículas de antimateria son casi idénticas a sus contrapartes de materia, pero tienen espines y cargas eléctricas opuestas. Las partículas de materia y antimateria se producen de a pares. Cuando se juntan, se aniquilan de inmediato y no dejan nada excepto energía.

Esto significa que el Big Bang debería haber creado y destruido cantidades iguales de estas partículas. Entonces, ¿por qué existimos en un universo hecho casi totalmente de materia? Según los físicos, esto se puede deber a que al finalizar el Big Bang había una partícula de materia adicional por cada mil millones (109) de pares materia-antimateria. Los científicos trabajan arduamente para intentar explicar esta asimetría.

2. La antimateria está más cerca de lo que cree

Cantidades pequeñas de antimateria caen a la Tierra constantemente como rayos cósmicos (partículas energéticas del espacio). Estas partículas de antimateria alcanzan nuestra atmósfera a una tasa que oscila entre menos de una por kilómetro cuadrado por siglo y más de 10 000 por metro cuadrado por segundo. Además, los científicos han observado pruebas de la producción de antimateria en tormentas eléctricas.

Modelos de átomos de
materia y antimateria que
muestran las partículas y sus
respectivas cargas

chromatos/Shutterstock.com 

Pero otras fuentes de antimateria están incluso más cerca nuestro. Por ejemplo, los plátanos liberan un positrón (el equivalente de antimateria de un electrón) aproximadamente cada 75 minutos. Esto se debe a que los plátanos contienen una pequeña cantidad de potasio-40, un isótopo del potasio que se presenta de forma natural. Cuando el potasio-40 decae, en ese proceso a veces libera un positrón.

Nuestros cuerpos también contienen potasio-40, lo que significa que nosotros también emitimos positrones. La antimateria se destruye inmediatamente al contacto con la materia y por ello sus partículas son efímeras.

3. Los humanos han creado solamente una pequeña cantidad de antimateria

Las aniquilaciones de materia-antimateria pueden liberar una gran cantidad de energía. Un gramo de antimateria podría producir una explosión de la magnitud de una bomba nuclear.

Los científicos crean antimateria para estudiarla en experimentos, pero la cantidad que producen es diminuta. La totalidad de los antiprotones creados en el acelerador de partículas Tevatrón de Fermilab (ahora inactivo) ascienden solamente a 15 nanogramos, y los que el CERN ha creado hasta ahora suman alrededor de 1 nanogramo.

El problema radica en la eficiencia y el coste de la producción y del almacenamiento de la antimateria. Para crear 1 gramo de antimateria se necesitarían aproximadamente 25 mil billones (1015) de kilovatios hora de energía y costaría más de mil billones de dólares estadounidenses.

4. Existe lo que se llama una trampa de antimateria

Para estudiar la antimateria, debe impedirse que la materia la aniquile. Para ello, los científicos retienen las partículas cargadas, como los positrones y los antiprotones, en aparatos llamados trampas de Penning. Estas trampas son como unos aceleradores diminutos. En el interior, las partículas se mueven en espiral mientras los campos magnéticos y eléctricos impiden que choquen contra las paredes de la trampa.

Pero las trampas de Penning no funcionan con partículas neutras como el antihidrógeno. Al no tener carga eléctrica, los campos eléctricos no las pueden retener. Por ello, en cambio, se las retienen en trampas de Ioffe, que hacen uso de las propiedades magnéticas de estas partículas. Las trampas de Ioffe crean una zona en la que el campo magnético aumenta de tamaño en todas las direcciones. El área con el campo magnético más débil atrae a la partícula, como cuando una canica que rueda alrededor de un tazón finalmente llega al fondo.

5. La antimateria puede caer hacia arriba

Las partículas de materia y antimateria tienen la misma masa pero difieren en propiedades como la carga eléctrica y el espín. El Modelo Estándar (la teoría que mejor describe las partículas y sus interacciones) predice que la gravedad debería tener el mismo efecto sobre la materia y la antimateria; sin embargo, esto aún no se ha observado. Los experimentos del CERN, como AEGIS, ALPHA y GBAR, lo están investigando.

Observar el efecto de la gravedad sobre la antimateria no es tan fácil como ver una manzana caer de un árbol. Estos experimentos requieren que se mantenga la antimateria en una trampa o que se la desacelere enfriándola a temperaturas apenas por encima del cero absoluto. Y debido a que la gravedad es la más débil de las fuerzas fundamentales, los físicos deben usar partículas de antimateria sin carga en estos experimentos para impedir que interfiera la más poderosa fuerza eléctrica.

6. La antimateria se estudia en los desaceleradores de partículas

Seguramente ha escuchado hablar de los aceleradores de partículas, pero ¿sabía que también hay desaceleradores de partículas? El CERN alberga a una máquina llamada desacelerador de antiprotones, un anillo de almacenamiento de antiprotones que puede capturarlos y desacelerarlos para estudiar sus propiedades y su comportamiento. 

En aceleradores de partículas circulares como el Gran Colisionador de Hadrones, las partículas adquieren energía cada vez que completan una vuelta. Los desaceleradores hacen lo contrario; en lugar de adquirir energía, las partículas obtienen un impulso en sentido contrario a su dirección para reducir su velocidad.

El desacelerador de antiprotones del CERN desacelera los antiprotones antes de enviarlos a varios experimentos que estudian la antimateria.
Maximilien Brice/CERN

7. Los neutrinos podrían ser sus propias antipartículas

Una partícula de materia y su contraparte de antimateria tienen cargas opuestas, lo que las hace fáciles de distinguir. Los neutrinos, partículas casi sin masa que rara vez interactúan con la materia, no tienen carga. Los científicos creen que pueden existir partículas de Majorana, una clase hipotética de partículas que son a la vez sus propias antipartículas.

Para determinar si esto es así, los científicos buscan un comportamiento llamado desintegración beta doble sin neutrinos. Algunos núcleos radiactivos se desintegran de manera simultánea y emiten dos electrones y dos neutrinos. Si los neutrinos fueran sus propias antipartículas, se aniquilarían a sí mismos luego de la desintegración doble, y los científicos solo observarían electrones.

La detección de neutrinos de Majorana podría ayudar a explicar por qué existe la asimetría materia-antimateria. Los físicos plantean como hipótesis que los neutrinos de Majorana pueden ser pesados o livianos. Los livianos existen hoy en día, y los pesados habrían existido solo inmediatamente después del Big Bang. Estos neutrinos pesados de Majorana se habrían desintegrado de manera asimétrica, lo que habría originado el pequeño exceso de materia que permitió darle origen a nuestro universo.

8. La antimateria se usa en la medicina

La tomografía por emisión de positrones usa positrones para producir imágenes del cuerpo de alta resolución. Los isótopos radiactivos que emiten positrones (como los que contienen los plátanos) se unen a sustancias químicas (por ejemplo la glucosa) que el cuerpo usa naturalmente. Estos compuestos pasan al torrente sanguíneo, donde se desintegran en forma natural y liberan positrones que se encuentran con los electrones del cuerpo. Estas partículas se aniquilan entre sí y producen rayos gamma que se usan para construir imágenes.

Los médicos pueden tratar tumores con precisos rayos de protones que liberan su energía solo cuando ya han atravesado el tejido sano en forma segura. Pero los científicos que trabajan en el experimento ACE (siglas en inglés de Antiproton Cell Experiment) estudiaron la eficacia y la idoneidad de usar antiprotones en su lugar, lo que añade un aporte adicional de energía. Se descubrió que la técnica era efectiva en células de hámster, pero aún deben llevarse a cabo estudios en células humanas.

En el experimento ACE del CERN, un rayo de partículas ingresa a un tubo de células en el centro de un tanque para investigar cómo puede emplearse la antimateria para tratar el cáncer.
Maximilien Brice/CERN

9. La antimateria sobrante aún podría estar merodeando por el espacio

Para resolver el problema de asimetría materia-antimateria, los científicos intentan encontrar la antimateria sobrante del Big Bang. Buscan estas partículas con el Espectrómetro Magnético Alfa (AMS, por sus siglas en inglés), un detector de partículas a bordo de la Estación Espacial Internacional.

El AMS contiene campos magnéticos que doblan el curso de las partículas cósmicas para separar la materia de la antimateria. Sus detectores evalúan e identifican las partículas a medida que lo atraviesan.

10. La antimateria podría abastecer a las naves espaciales

Un solo puñado de antimateria podría producir una gran cantidad de energía, lo que la convierte en una fuente de energía popular para los vehículos futuristas de la ciencia ficción.

La propulsión de cohetes con antimateria es hipotéticamente posible, pero en la actualidad no existe la tecnología que permita producir antimateria en forma masiva o reunirla en cantidades necesarias. Algún día, si se encuentra la manera de crear o reunir suficiente antimateria, los viajes interestelares propulsados con antimateria podrían volverse realidad.

Agradecimientos

La publicación de este artículo se realiza con el permiso de la revista Symmetryw1, que publicó el artículo originalmente.

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Web References

  • w1 – La revista Symmetry es una publicación gratuita en internet que se especializa en la física de partículas. La publican el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermilab y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (Estados Unidos).  Si desea leer el artículo original, consulte el sitio web de Symmetry.

Author(s)

Diana Kwon es periodista científica y trabaja por cuenta propia en Berlín (Alemania). Su trabajo se publicó tanto en forma impresa como en línea en distintos medios, como Scientific American, Quartz y New Scientist.


Review

Este artículo presenta una perspectiva general de la antimateria y brinda ejemplos de la importancia de las antipartículas en nuestras vidas y en el futuro de nuestra sociedad. Nos acerca la antimateria a nuestra vida cotidiana y nos muestra cómo se producen a nuestro alrededor las antipartículas en la Tierra e incluso en nuestro propio cuerpo.

Escrito en un estilo que estimula la investigación, el artículo es un buen punto de partida para tratar temas relacionados con la física de partículas y además puede utilizarse para iniciar un debate entre los estudiantes. Los estudiantes pueden considerar cómo la ciencia ficción interactúa con la ciencia (y cuál ocurre primero). Además, se puede relacionar el artículo con disciplinas no científicas como la historia, la literatura y el arte.


Marco Nicolini, docente de física, matemática y astronomía, periodista científico, Escuela Europea de Bruselas II (Bélgica)




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