La antimateria

La antimateria

El descubrimiento de la antimateria fue iniciada por Paul Dirac

El desarrollo de las matemáticas a comienzos del siglo XX tuvo mucha influencia en el descubrimiento de la antimateria.

En el año 1928, un joven físico inglés Paul Dirac (1902-1984) formuló una ecuación matemática que combinaba los principios de la relatividad de Einstein con los postulados de la física cuántica de Niels Bohr.

Esta ecuación era considerablemente árida y complicada. Pero cuando este genio de las matemáticas emprendió la tarea de explorar sistemáticamente las consecuencias de su ecuación, se encontró con una verdadera mina de informaciones.

Una de estas consecuencias era que la existencia ya comprobada del electrón implicaba la existencia de un hermano gemelo, con características idénticas sólo que con carga eléctrica positiva. Le llamó anti-electron. Hoy se le llama también positrón.

De su ecuación se desprendía también que el encuentro de un electrón con un anti-electrón hacía que ambas partículas se aniquilaran mutuamente y que se transformaran en fotones.

Paul DiracActualmente está comprobado que la antimateria es algo real. Todas las partículas elementales tienen una contraparte con la misma masa pero carga opuesta. Cuando una partícula choca contra su antipartícula, ambas se destruyen, produciendo otras partículas, por ejemplo fotones o rayos gamma.Las unidades elementales de la materia son el protón, con carga eléctrica positiva; el electrón, con carga eléctrica negativa; y el neutrón, sin carga eléctrica.Las unidades elementales de la antimateria son el antiprotón, con carga negativa; el antielectrón, llamado positrón, con carga positiva.El protón está en el núcleo del átomo de la materia, y el antiprotón en el núcleo del átomo de la antimateria. El electrón es la partícula que orbita alrededor del núcleo de la materia, y el positrón es la que orbita alrededor del núcleo de la antimateria.La antimateria podría usarse como combustible de naves espaciales. El antielectrón es tan estable como el electrón. Es idéntico al electrón en todas las propiedades fundamentales (masa, espín), excepto en su carga eléctrica. El tiempo de su existencia podría ser indefinido. Pero, cuando el antielectrón se encuentra con un electrón, el tiempo medio de la existencia de ambos baja a una millonésima de segundo. Durante un breve momento, el electrón y el antielectrón empiezan a girar en torno a un centro de fuerza común. Al cabo de una diezmillonésima de segundo se produce una neutralización mutua y ambos desaparecen sin dejar ningún rastro de materia. A cambio, se ha generado energía en forma de fotón o radiación gamma.El antiprotón y el protón tienen una vida similar a la pareja electrón-antielectrón. En una ínfima fracción de segundo, el antiprotón desaparece al aniquilarse con un protón y transformarse también en fotones o rayos gamma.

La carga eléctrica de un neutrón sigue siendo un misterio. Los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalentes que dan como resultado una carga cero. Sin embargo, por alguna razón desconocida, cuando la partícula gira, se crea un campo magnético. El antineutrón es un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido.

Los médicos saben que los tejidos del cuerpo humano invadidos por el cáncer, tienen un elevado consumo de glucosa. Se descubrió que el flúor-18 es un radioisótopo emisor de positrones y que, además, se une con facilidad a la glucosa.

Cuando el positrón del flúor-18 se encuentra con un electrón de la glucosa, ambos se destruyen y generan rayos gamma que pueden ser detectados por un instrumental médico adecuado.

De esta forma, en tiempo real, es posible ver una imagen de la masa encefálica del cerebro y así identificar, localizar y cuantificar el consumo de glucosa por las diferentes células de esa zona del organismo. El PET es actualmente un instrumento que, combinado con el TAC, es de capital importancia para el diagnostico del cáncer, especialmente en el sistema nervioso central.

En 1932, Carl Anderson, en el Caltech, descubrió el anti-electrón. Se le llamó positrón.En 1955, en la Universidad de Berkeley, se descubrió el antiprotón.En 1965, fue la primera vez que se pudo hablar propiamente de antimateria, es decir, de "materia" compuesta por antipartículas. En el Acelerador Protón Sincrotón del CERN, un equipo de investigadores consiguió crear un antideuterón, una antipartícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón.En 1995, el CERN anunció la creación de nueve átomos de antihidrógeno.En 2002, dos experimentos (ATHENA y ATRAP) consiguieron generar algunos miles de átomos de antihidrógeno. Aunque esto pueda parecer mucho, realmente unos miles de átomos es muy poquito. Para llenar un globo de cumpleaños con antihidrógeno se necesitarían 10.000.000.000.000.000 veces más.

En la Universidad Técnica de Munich, un equipo de investigadores japoneses informó de la creación de un átomo compuesto de materia y antimateria llamado helio antiprotónico. Este átomo constaba de dos protones, dos neutrones, un electrón y un antiprotón. El átomo sobrevivió 15 millonésimas de segundo.Las teorías científicas más aceptadas afirman que en el origen del Universo existían materia y antimateria, en iguales proporciones.Estas mismas teorías establecen que la materia y la antimateria se fueron aniquilando mutuamente, quedando como resultado energía pura.Sin embargo, el Universo que observamos está compuesto únicamente por materia. Se desconocen los motivos por los que no se ha encontrado antimateria en el universo. Se barajan tres posibilidades para explicar por qué la cantidad de materia superó a la de antimateria:

Primera hipótesis: las investigaciones de tres científicos japoneses (Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa) confirmaron la teoría de que por cada 10.000 millones de partículas de materia que surgió en el Big Bang, se produjeron 10.000 millones menos 1 partícula de antimateria. Esta diferencia de 1 a 10.000 millones fue la causa de que la balanza se inclinara a favor del cosmos en vez de a la nada.Si no hubiera sido así, si en el momento del Big Bang hubiera habido igual número de partículas de materia y de antimateria, todo habría quedado reducido a una gigantesca producción de rayos gamma y de fotones, hoy no habría estrellas ni galaxias ni nebulosas y nosotros no existiríamos para estar pensando en estas cosas.

Las investigaciones de estos tres científicos empezaron en el año 1960, cuando Yoichiro Nambu (Tokio, 1921) profesor en la Universidad de Chicago, formuló por primera vez la teoría de la ruptura espontánea de la simetría. Esta ruptura de la simetría implicaba a su vez la existencia de seis tipos de quarks. Estas hipótesis, que no pasaban de ser una teoría, se vieron confirmadas en el año 2001, con los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas de Stanford en USA y de Tsukuba en Japón.

El profesor Yoichiro NambuSegunda hipótesis, sugerida en 1967 por el físico ruso Andréi Sájarov, postula que las partículas y las antipartículas no tienen propiedades simétricas exactamente iguales.Recientes experimentos en el acelerador KEK de Japón, sugieren que esto quizás sea cierto, y que no fue necesario ese pequeñísimo exceso de materia en el Big Bang, porque simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria.Una tercera hipótesis plantea que puede haber regiones del Universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir a largas distancias entre materia y antimateria.La NASA ha enviado una sonda al espacio para buscar rastros de antimateria, que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el Universo. Sin embargo, hasta ahora, los experimentos no han detectado nada.