Antimateria

CONCEPTO

Todo comienza con los trabajos del físico británico Paul Dirac que publicó en el año 1929, en una época que coincide con los tiempos que se descubrían los primeros secretos de la materia, se teorizaba sobre el comportamiento de las partículas que comportan la fuerza débil, y se profundizaban los estudios de los componentes de los átomos, especialmente en la teorización de lo que se llama fuerza fuerte. Se plantearon conceptos como el de la mecánica ondulatoria, el principio de incertidumbre o, también, el descubrimiento del espín en los electrones.

Este era el escenario en el cual Paul Dirac estaba inserto cuando planteó que donde había materia, también podía haber antimateria. Concretamente señaló, que si el átomo tenía partículas de carga negativas llamadas electrones, debía haber partículas que fueran «electrones antimateria», a los que se les llamó positrones y que debían tener la misma masa del electrón, pero de carga opuesta y que se destruirían al entrar en contacto, liberando energía. Este descubrimiento de Dirac fue tan revolucionario que lo hizo merecedor del premio Nobel en el año 1933.

En 1932 Carl Anderson, del Instituto Tecnológico de California, en un trabajo de experimentación confirmó la teoría de Dirac al detectar la existencia de un positrón al hacer chocar rayos cósmicos. Pasaron dos décadas y en 1955 un equipo de la Universidad de Berkeley formado por los físicos Emilio Segre, Owen Chamberlain (ambos ganadores del Nobel de física de 1959), Clyde Weingand y Tom Ypsilantis lograron hallar el primer antiprotón, o sea, la primera partícula especular del protón que es la partícula de carga positiva del átomo. Un año después, con el uso de las mismas instalaciones, otro equipo, formado por Bruce Cork, Oreste Piccione, William Wenzel y Glen Lambertson ubicaron el primer antineutrón, el equivalente a la partícula de carga neutra de los átomos. La carrera por las tres antipartículas básicas - equivalentes a la neutra, la negativa y la positiva - estaba terminada. Otro paso lo dieron los soviéticos, que por el año 1965 contaban con el acelerador de partículas más poderoso de los existentes en esos momentos. En un trabajo encabezado por el físico León Lederma, los soviéticos lograron detectar la primera partícula compleja de antimateria, el antineutrino, formado por dos partículas básicas. Posteriormente, usándose el mismo acelerador se detectó el antihelio.

CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE ALTA ENERGÍA

En 1978, con la inauguración de las instalaciones europeas del Centro de Investigación de Alta Energía (CERN) de Ginebra, y los avances tecnológicos que ello implicó, se pudo lograr crear antitritio y, en 1981, realizar el primer choque controlado entre materia y antimateria, con lo que comprobaron una hipótesis valiosa: la cantidad de energía liberada por el mismo choque era enorme, mil veces superior a la energía nuclear convencional. Pero para la receta para generar antiátomos faltaba un ingrediente que permitiera la combinación de antipartículas para poder producirlo
La dificultad radicaba en la velocidad con que se producen las partículas de antimateria y sus violentas colisiones. Era necesario contar con una fórmula que permitiera desacelerarlas o igualar su velocidad para unirlas.

El 4 de enero de 1996, los científicos del CERN anunciaron el éxito de haber obtenido en un proceso de experimentación, no uno, sino nueve antiátomos de hidrógeno. No se trata de partículas fundamentales o de pequeñas combinaciones, se trata - en propiedad - de lo que se puede mencionar como átomos de antihidrógeno.

Los antiprotones rompen los núcleos del xenón y crean algunos pares de electrón y positrón(2). Una fracción de estos pares es capturada por los antiprotones, alrededor de los cuales pasan a orbitar; se crean átomos de anti-hidrógeno(3). Como estos átomos son eléctricamente neutros, el campo magmético del acelerador no los desvía y continúan una trayectoria recta que los lleva a atravesar a gran velocidad una fina barrera de silicio(4). Mientras que el antiprotón continúa su camino, el positrón choca contra el electrón(6) con lo que ambas partículas se aniquilan.

El experimento que hizo el CERN consistió en la elección del hidrógeno como elemento de trabajo porque es el más simple y abundante de todos los que conforman el universo. Con apenas dos componentes - uno positivo y otro negativo - era lo más sencillo. El acelerador LEAR, con el cual se realizó el experimento, disparó un chorro de antiprotones a través de una fina nube de gas xenón. Los antiprotones rompieron los núcleos del xenón y crearon algunos pares de electro-positrón. Una fracción de estos pares fue capturada por los antiprotones, lo que implicó que empezaran a orbitar alrededor de ellos; entonces se crearon antiátomos de hidrógeno. Como estos antiátomos son neutros, el campo magnético del acelerador no los desvía y continuarán una trayectoria recta que los lleva a atravesar a gran velocidad una barrera de silicio. Mientras tanto el antiprotón continúa su camino, el positrón choca contra el electrón aniquilándose ambos. El resultado es una emisión de rayos gamma que choca contra la barrera de silicio y delata lo que ocurrió.

CAPSULA DE ANTIMATERIA: Uno de los problemas interesantes para desarrollar el proceso fue el de poder establecer como poder atrapar la antimateria. Una de las dificultades era la de evitar que la antimateria explotara al tomar contacto con la materia. La solución a la cual se llegó, en los trabajos realizados por el CERN, fue la de usar un envase diseñado por el Laboratorio Nacional de Los Álamos de EE.UU.. Este tipo de envase consiste en mantener a la partícula de antimateria en forma estable por medio de campos eléctricos y magnéticos. Un ciclotrón puede frenar a un antiprotón de modo que pueda ser capturado, detenido y paralizado con campos magnéticos. Una vez quieto, el antiprotón es introducido en un envase que comporta un vacío interior para evitar choques con átomos de aire y el magnetismo impide que el antiprotón toque sus paredes, detonando una explosión de rayos gamma.

En el proceso se detectaron once choques contra la barrera, de éstos, nueve son considerados indudablemente causados por la aparición de antiátomos de hidrógeno; sobre los otros dos hay dudas. El antiátomo de hidrógeno producido, sólo dura 10 segundo antes de encontrar materia a su paso y desaparecer y, fue por eso, que Brodsky y Schmidt propusieron en sus trabajos la creación de un campo magnético para poder detectar los antiátomos en medio de todas las partículas que se generan en el proceso. Las partículas - que tienen cargas positivas o negativas - comportarán una órbita curva, pero el antiátomo (cuya carga total es neutra) no será afectado por el campo magnético y saldrá en línea recta.

El antihidrógeno es el estado más simple del límite atómico de la antimateria y, hasta el anuncio efectuado por el CERN en enero de 1996, nunca antes se había observado experimentalmente. Se logró sintetizar un átomo de antimateria desde sus antipartículas comitentes.

El átomo de hidrógeno ha sido uno de los sistemas físicos más importantes para una variedad amplia de medidas fundamentales relativas al comportamiento de la materia ordinaria. La producción de antihidrógeno abre las puertas para una investigación sistemática de las propiedades de la antimateria y la posibilidad única de comprobar principios físicos fundamentales.

En la cosmología podemos prever que a futuro se podrán contar con tecnologías que permitan investigar con más y mejor precisión la estructura del universo y, por ende, las características y fuentes de emisión de antimateria en él. Para ello en particular, la NASA ha desarrollado un proyecto para instalar en la estación espacial Alpha, en el año 2002, un detector de antipartículas que se la ha denominado Espectrómetro Alfa Magnético (AMS). El instrumento está diseñado para detectar antimateria atómica (hasta ahora solamente se han observado antipartículas) entre las partículas de los rayos cósmicos, que a la velocidad de la luz bombardean intensamente la Tierra. La mayor parte de ellas provienen del Sol y también de remanentes de estrellas que han explosionado en nuestra galaxia, pero la detección de las más energéticas se ha conseguido en lugares ubicados próximos al centro de la Vía Láctea y de fuentes lejanas de ésta. En consecuencia, serán estos últimas los blancos focalizado para ejecutar los procesos de detección de antimateria atómica espacial.

NUEVO COHETE CON UN MOTOR DE ANTIMATERIA

La fuente de energía casi inagotable que pueda hacer realidad el sueño de la Humanidad de colonizar otros planetas está siendo considerada seriamente por los investigadores.

Si el Hombre quiere viajar hacia Marte y otros planetas a una velocidad elevada, se impone elegir sistemas de propulsión innovadores que lo hagan posible. El uso de antimateria, un material exótico donde los haya, es una posibilidad que los científicos barajan con interés y atención.

El deseo de cubrir enormes distancias de una forma rápida no es tan sólo un capricho genuinamente humano. En realidad, en el espacio interplanetario acechan radiaciones cósmicas y solares letales. Permanecer más tiempo del necesario expuestos a este peligro podría ocasionar graves daños a los astronautas. Las dos únicas soluciones para resolver este problema son dotar a las naves de un blindaje adecuado o efectuar la travesía a una velocidad alta para reducir el tiempo de tránsito y por tanto el de exposición a la radiación.

El acceso al espacio es todavía una empresa cara, y el dinero necesario para enviar en ruta interplanetaria a un solo kilogramo de materia es casi prohibitivo, de modo que la primera solución no es la más adecuada, ya que implica un aumento de la masa del vehículo y por tanto de los costes de lanzamiento.

La segunda posibilidad, aumentar la velocidad de tránsito, es la opción más atractiva, pero para ello se necesita nueva tecnología, sistemas más modernos y efectivos que nuestra actual propulsión basada en la combustión química. Gerald Smith, de la Penn State University, propone el diseño de un motor que permitiría ir y volver a Marte en apenas cuatro meses, incluyendo 30 días en la superficie del planeta. Dicho motor es uno de los más avanzados ideados hasta la fecha y mezcla conceptos de aprovechamiento de antimateria, fisión y fusión nuclear.

En concreto, Smith dice que unos pocos femtogramos de antimateria (de características análogas a la materia convencional pero de carga opuesta) bastarían para catalizar la fisión de uranio-238, lo que su vez provocaría la fusión de una mezcla de deuterio y helio-3. La energía producto de la fusión serviría para alimentar el sistema de reacción que haría avanzar al cohete. El motor se llamaría AIMStar (Antimatter Initiated Microfusion Starship) y consumiría menos de un microgramo de antiprotones al año.

Por el momento, sin embargo, tal cantidad de antimateria es un objetivo inalcanzable para los laboratorios actuales, y su coste imposible de aceptar. Pero esto podría cambiar en el futuro.

NUBE DE ANTIMATERIA PARTICULADA CÓSMICA

Para detectar y estudiar las emisiones de rayos gamma en la Vía Láctea la NASA, el 5 de abril del año 1991, colocó en el espacio el satélite científico Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) con cuatro instrumentos orientados a localizar los rayos y a estudiar sus espectro electromagnético dentro de una banda de rangos de energía que va desde los 30 KeV a los 30 GeV. En el proceso de localización de rayos gamma, el OGCR ha logrado elaborar varios mapas de ubicaciones que han permitido en ellos distinguir los rayos que se genera entorno a las explosiones de estrellas masivas jóvenes a lo largo del plano de la galaxia cerca del centro de ésta. Pero esos mapas, no sólo han mostrado a los rayos gamma, sino que fuera de programa, sorprendentemente han descrito la existencia de una nube relativamente alejada del plano del centro de la galaxia ubicada a un costado en los mapas de detección de rayos gamma, y cuyas bandas espectrales han sido captadas por uno de los más sensibles espectrómetros de la actualidad el OSSE, que se encuentra empotrado en el satélite CGRO. El estudio de las bandas del espectro que captó el OSSE señaló que se trataría de una nube de antimateria particulada, precisamente de positrones (antipartícula elemental).

Ahora bien, el origen de esa inesperada nube de antimateria particulada que aparece a uno de los costados de los mapas desarrollados por el CGRO es, por ahora, un misterio. Seguramente se tendrá que esperar hasta que pueda entrar en servicio el próximo satélite que ha proyectado instalar en el espacio la NASA, en el año 2002, para el monitoreo, rastreo y estudio de rayos cósmicos y también antimateria.

Las huellas espectrales de los procesos de aniquilamientos de electrones y positrones han sido detectadas por el espectrómetro OSSE. Los colores del mapa de la derecha representan la energía del aniquilamiento de electrones y positrones que han ocurrido en el plano de la Vía Láctea, cerca del centro galáctico, y que se han transformado en rayos gamma . La energía que se capta es de 511 KeV, y corresponde a los restos energéticos de la masiva energía del positrón. El mapa es un modelo adaptado de los 511 KeV detectados. El OSSE ha descubierto que la mayor cantidad de radiación se concentra mayormente dentro de una región comprendida dentro de los 10 grados del diámetro del centro de la galaxia. Las líneas superpuestas sobre el mapa representan las emisiones de 511 KeV de energía captadas por el OSSE.

La nube detectada de antimateria particulada , podría haberse formado a raíz de múltiples explosiones de estrellas, hecho que ha sido detectado justamente en el lugar de la galaxia donde fue hallada. Tampoco es descartable la eyección de antimateria particulada desde un disco de acreción de un agujero negro cercano al centro de la Vía Láctea, la fusión de dos estrellas de neutrones, o la producción de ella por una fuente enteramente diferente.

Se piensa que los positrones así como la antimateria en general, son relativamente raros en el universo. Sin embargo, existen varias formas como para que sea posible la generación de positrones. Una de ellas es a través de la descomposición natural de los elementos radiactivos. Tales materiales radiactivos pueden originarse en fuentes astrofísicas como supernovas, novas, y estrellas Wolg-Rayet que son masivas y tienen una violenta actividad en sus superficies. Como se trata de objetos relativamente comunes en las galaxias, los positrones resultantes de los materiales radiactivos pueden expandirse a través del espacio. Es posible que este tipo de estrellas que generan estos materiales radiactivos sean también las responsables de crear toda la materia constituyente que se distribuye por el universo, incluida la Tierra.

FUENTE TEÓRICA DE ANTIMATERIA CÓSMICA: Las bandas horizontales anchas representan a la radiación generada por la aniquilación desde el disco de la galaxia. La región circular de colores resaltados corresponde a la aniquilación radiactiva producida en el centro galáctico. La posible fuente de la antimateria particulada, descubierta por una radiación de aniquilación ascendente, se encontraría lejos del plano de la galaxia.

Otra manera en que se podrían generar positrones es con la caída de materia sobre los campos gravitacionales altos de los agujeros negros, ya que la temperatura de ella debería incrementarse lo suficiente como para generar pares de positrones y electrones que podrían ser disparados lejos de los agujeros negros a velocidades altísimas. El número de positrones que se puedan crear en un agujero negro depende de la cantidad de materia que aporte por insuflación alguna estrella que esté jugando el rol de compañera, mientras que el número de positrones creados por descomposición radiactiva se mantiene constante por un largo período de tiempo.

MODELO TEÓRICO DE FUENTE DE ANTIMATERIA: Modelo de contornos graficados sobre una imagen óptica del lugar donde fue ubicada la nube de positrones en nuestra galaxia. No se pueden observar evidencias visuales de una fuente de gas caliente cerca del centro de la Vía Láctea debido a la gran cantidad de polvo y gas que se encuentra en ese lugar impidiendo una visión más profunda y detallada.

Una tercera posibilidad es que en aquellos lugares donde se ha detectado la presencia de positrones --digamos por ahora en un sitio de nuestra galaxia-- sean espacios en que los últimos millones de años han sido la morada de la fusión de dos estrellas de neutrones de donde sale la emisión de partículas como un bólido galáctico masivo. De esos sucesos se crean las condiciones de los fenómenos de las explosiones de rayos gamma que tanto han desconcertado a los científicos que se focalizan en el estudio de las estructuras del cosmos.

Dado que el universo muestra tener más materia que antimateria, el positrón tiene un muy corto período de existencia desde que se crea. El positrón es la antipartícula del electrón y cuando ambos colisionan se aniquilan convirtiéndose en energía que se manifiesta en rayos gamma con un rango energético de 511 KeV, lo que refleja el aniquilamiento del positrón.

RECAMADO DE LA FUENTE: Contornos de radio recamados sobre un modelo de la fuente de la radiación producida por la aniquilación. La observacion de los radios sugieren la existencia de un canal conductor de la radiación que va desde el centro de nuestra galaxia a latitudes altas. En general, ello es consecuente con la ubicación y dirección de la fuente de aniquilación.

Las primeras observaciones que se pudieron realizar de explosiones de rayos gamma debido a emanaciones desde el centro de nuestra galaxia fueron a comienzos de 1970, y registraban un rango energético de 511 KeV. Posteriormente, a comienzos de 1980, la energía de las explosiones pareció disminuir cuando aparentemente emanaba desde el mismo lugar registrado anteriormente, volviéndose a observar emisiones con el rango de 511 KeV en las últimas detecciones que realizó el espectrómetro OSSE del satélite CGRO. Ello estaría indicando que los aniquilamientos de positrones se estarían generando en una pequeña y discreta fuente, posiblemente en la vecindad de un agujero negro al cual se le ha apodado "El Aniquilador".

La nube de antimateria particulada, que fue detectada en los mapas de explosiones de rayos gamma elaborados por el CGRO, se observa elevarse como un especie de pluma partiendo desde costado del centro de la Vía Láctea, y es extremadamente difusa. Por lo que se ha podido distinguir, es factible considerar que sólo hay en ella positrones, y no antiprotones o antiátomos.

DIBUJO DEL CENTRO DE LA VÍA LÁCTEA: El dibujo de arriba, representa al centro de la Vía Láctea con objetos y diferentes actividades cósmicas que cohabitan en esa región de la galaxia. La actividad que más se distingue es una fuente de gas caliente cargado de positrones, mucho de ellos aniquilándose mientras viajan dentro de los halos galácticos. La radiación de esa aniquilación ha sido observada por los instrumentos del OSSE empotrados en el satélite CGRO.

La detección de antiátomos fuera de los laboratorios no será un trabajo sencillo. Los antifotones que emitiría un antiátomo serían indistinguibles de los fotones que emitiría un átomo, de manera de que por este simple hecho de medición una galaxia no sería diferente de una antigalaxia. Tampoco es una labor sencilla rastrear señales de su presencia en los rayos cósmicos de alta energía.

Ahora bien, el hecho de que se llegara a descubrir dentro de los flujos de emisión de rayos cósmicos de tan sólo un núcleo de antihelio, ello daría cabida como para pensar con más de un fundamento sobre la existencia de estrellas y galaxias de antimateria, lo que llevaría también a implicaciones profundas sobre aspectos fundamentales que guardan relación con la asimetría bariónica del universo.

Para poder captar directamente los rayos cósmicos se han desarrollado experimentos con globos instalados en la atmósfera y satélites orbitando a la Tierra. Pero es un método que sólo permite la captación de ellos por algunas pocas horas y, en lapsos breves, solamente es posible distinguir antimateria si uno de cada 10.000 rayos cósmicos proviniera de un antinúcleo. Como las fuentes emisoras provienen desde lugares distantes, probablemente las antipartículas correspondan sólo a una de cada 10.000 millones de partículas.

Pero, no cabe duda esperar, de que el espectrómetro Alfa Magnético orbitando fuera de la atmósfera, tendrá muchas mayores posibilidades de éxito que los experimentos con los actuales satélites, globos ubicados en la atmósfera o con instrumentos empotrados en la superficie de la Tierra. Se piensa que con el AMS se podrán detectar los rayos cósmicos vírgenes. Asimismo, las mediciones podrán extenderse por períodos mucho más prolongados, lo que indudablemente facilitará la ubicación de la antimateria en medio de lluvias de partículas comunes.

Por los conocimientos experimentales que hemos adquirido hasta ahora, sobre la formación de antimateria en laboratorios y por el hallazgo de la existencia de positrones, no es arriesgado pensar en antimateria atómica deambulando por el espacio como fósiles ocasionados por los primeros segundos del Big Bang o como producto de la propia dinámica del universo.

En teoría, en el momento del Big Bang, debiera haber habido igual cantidad de materia que de antimateria. Ahora, por qué esta última se fue extinguiendo, las razones de ello las podemos encontrar en la explicación que nos entregó, en el año 1967, el físico Andrei Sakharoc. Según él, ese proceso de extinción se debería a una pequeña asimetría en las leyes de la física, conocida como violación CP.

Esa asimetría que formula Sakharoc, debería haber comenzado a intervenir en el primer segundo del Big Bang. En ese instante, y de acuerdo a la Teoría Unificada de la Física, todas las fuerzas que ahora se conocen en la naturaleza estaban fundidas en una sola, exteriorizadas en la llamada partícula X. Más tarde, cuando el universo se enfrió y estas partículas decayeron, la asimetría habría dejado una pequeña y mayor proporción de partículas en relación a las antipartículas. Específicamente, mil millones más una partícula, por cada mil millones de antipartículas.

En función a lo inmediatamente anterior, la mayoría de los físicos piensan, por lo tanto, de que tanto partículas como antipartículas en un instante se habrían mezclado, y como ambas se aniquilan en una bocanada de rayos gama, el resultado final sería que el universo actual no estaría conformado por antimateria. Por lo menos, la brillantez del trasfondo de radiación que lo llena, cerca de mil millones de fotones por cada partícula de materia, indicaría que ello es así, efectivamente. Puede que esta sea una explicación convencional, pero comparto la opinión de Stephen Hawking y de otros científicos en cuanto a que pensar experimentalmente en la posibilidad de la existencia de galaxias y antigalaxias o, más aún, de universo y de antiuniverso es, de alguna manera, una contradicción con las leyes de la física.

Lo anterior, no significa desterrar las posibilidades de que en algún momento la asimetría de las leyes de la física de las cuales hemos hablado podría haber sido revertida en ciertas regiones de la bola de fuego del Big Bang, favoreciendo la creación de antimateria sobre la materia. Eso abriría la posibilidad de que en alguna parte del espacio pueda haber sobrevivido antimateria, formando incluso, antigalaxias. Ello se sostiene en algunos modelos teóricos que se han desarrollado, pero se opone la experiencia experimental de laboratorio, lo que lo hace aparecer poco verosímil por ahora.

La primera prioridad para la física en esta cuestión se encuentra en poder entender y distinguir cuales son las leyes que gobiernan la antimateria. Según la relatividad general, la antimateria tiene que comportarse básicamente como la materia, y esto si que abre una tremenda interrogante. Si el comportamiento es asímil y la antimateria esta presente fuera de los laboratorios, entonces que pasa con el efecto gravitatorio sobre ella. A lo mejor, ha empezado un ciclo de la física en que se podría llegar a cuestionar hasta sus leyes fundamentales. El mayor conocimiento que se está adquiriendo sobre la antimateria, promete revelar muchas interrogantes acerca del comienzo del universo.