¿Qué es la antimateria y por qué es importante?

La antimateria y la materia regular surgieron al mismo tiempo durante el Big Bang. Son dos caras de la misma moneda. Representan una configuración común de partículas, pero con movimientos o cargas opuestas.

Las partículas opuestas son prácticamente idénticas entre sí, con las mismas propiedades y diferenciándose solo por la carga. Las partículas cargadas negativamente en la materia, o los electrones, por ejemplo, tienen un gemelo opuesto en la antimateria, el positrón, con la misma masa y espín, pero con carga positiva. Las partículas neutras como los neutrones de la materia también tienen sus contrapartes en la antimateria. Y cuando las partículas opuestas chocan, explotan violentamente, liberando una explosión de energía.

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Pero todavía no podemos llamarlo una simetría perfecta, ya que los científicos todavía están tratando de hacer coincidir a todos los socios en ambas configuraciones. Las partículas como los neutrinos en la materia, por ejemplo, siguen siendo unidades únicas. Además, la cuestión ha llegado a dominar significativamente a la pareja, y la diferencia desproporcionada en su disponibilidad todavía desconcierta a los científicos hasta la fecha.

La antimateria en la ciencia y la cultura

Durante el siglo XX, la antimateria dominó el discurso científico, al igual que la materia oscura en el siglo XXI. También inspiró una nueva ola de arte y literatura, incluidas novelas de ficción y películas que se convirtieron en íconos de la cultura popular. Pero toda la pompa y la publicidad hicieron que la antimateria pareciera más ficticia, y las investigaciones fueron descubriendo gradualmente afirmaciones espurias de películas que eclipsaban las aplicaciones de la vida real.

Una de esas aplicaciones de la vida real es la construcción del Modelo Estándar de física, que conduce a una mejor comprensión del universo y cómo funciona.

¿Cómo se produce la antimateria y cómo se descubrió?

Los humanos crearon por primera vez partículas de antimateria en laboratorios después de que se formularan hipótesis y se encontraran en la naturaleza. Y desde entonces, los han estado persiguiendo con innumerables colisiones a velocidad ultra alta en aceleradores de partículas masivos como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Hasta ahora, el elemento de antimateria más complejo producido es el antihelio, el gemelo opuesto del helio. La mayoría de los experimentos se han centrado en crear antihidrógeno, lo opuesto al hidrógeno.

La antimateria fue propuesta por primera vez por el físico británico Paul Dirac a finales de los años 20. Al tratar de vincular dos campos emergentes de la física moderna, la relatividad (que se ocupa de la disposición de las partículas en el tiempo y el espacio, y la mecánica cuántica), que gira en torno a las cualidades subatómicas de la materia, mostró cómo la energía de las partículas se veía afectada por su velocidad.

Su propuesta de que la energía podría ser negativa cuando partículas con el mismo espín tienen una carga opuesta desconcertó a los científicos de la época.

A Dirac se le ocurrió la idea por primera vez cuando intentaba resolver una ecuación que describía el movimiento de los electrones a una velocidad cercana a la de la luz. Sus ecuaciones arrojaron resultados duales: podían ser positivos o negativos. Su idea lo sorprendió al principio y dudó en compartirla.

Al igual que cualquier teoría emergente, la propuesta de Dirac encontró una fuerte resistencia cuando finalmente la sacó a la luz. No fue hasta aproximadamente una década después que surgieron pruebas tangibles.

En una investigación dirigida por el físico tecnológico Carl Anderson en el American California Institute, se descubrió que las partículas de rayos cósmicos dejaban huellas dentro de una cámara de niebla que tenía un parecido sorprendente con los antielectrones de Dirac. Tanto Dirac como Anderson ganaron el premio Nobel de Física en 1933 y 1936 respectivamente por su trabajo.

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Para Dirac, sus ecuaciones revelaron una dimensión de energías más bajas que estaban muy por debajo del radar de la ciencia regular en ese momento. Declaró que el rango de energía «normal» registrado en los laboratorios era producto únicamente de las partículas «normales». Sin embargo, cuando una partícula se excita desde un estado de menor energía a un estado superior reconocible, queda un «agujero», creando una extraña imagen especular que podemos observar: o antimateria.

A lo largo de las décadas se han revelado más pares de partículas y antipartículas. Han sido detectados a partir de las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. También se ha descubierto que se producen a partir de tormentas eléctricas de alta energía.

La antimateria ocurre en todo el universo a través de muchos procesos naturales. Sin embargo, la colisión entre la antimateria y la materia destruye ambas y el resultado es una chispa de energía. En un universo dominado por la materia, eso significa que la antimateria no existe por mucho tiempo antes de desaparecer.

El universo era una enorme bola de energía momentos después del Big Bang y, a medida que se enfriaba y expandía, producía partículas y antipartículas. La antimateria puede ayudarnos a desentrañar los misterios del universo.

¿Cómo interactúan la materia y la antimateria?

Cuando la materia y la antimateria chocan, vemos una chispa de luz, pero para los científicos, las partículas se descomponen en radiación gamma, una forma de energía de alto nivel. La desintegración gamma es una característica habitual de muchos materiales radiantes diferentes, como el potasio. En la ciencia ficción, la liberación de alta energía procedente de la colisión entre antipartículas se ha utilizado para impulsar todo, desde motores de cohetes hasta armas de destrucción masiva.

Sin embargo, la realidad sobre el terreno es que la antimateria es bastante difícil de producir. Con las capacidades actuales del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, se necesitarían casi 100 mil millones de años para generar un gramo de antimateria. Es aún más difícil almacenar antimateria en cantidades tangibles para cualquier uso práctico. Cualquier recipiente utilizado está hecho de materia, que aniquila instantáneamente la antimateria.

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Sin embargo, las investigaciones científicas muestran que las antipartículas y las partículas tienen propiedades completamente idénticas y que las partículas pueden intercambiarse con su antipartícula, un concepto conocido como simetría CP. También se ha propuesto que se aplican las mismas leyes de la física a ambos.

Y según las leyes de la física, deberían estar disponibles en cantidades iguales. Pero entonces, si ambos fueron creados en cantidades iguales durante el Big Bang, deberían haberse anulado mutuamente instantáneamente al contacto, aniquilando todo.

Sin embargo, parece que el universo ha torcido las reglas a favor de la materia. Hasta ahora ha logrado retener cantidades desproporcionadas de materia para sustentar el mundo físico. La relativa escasez de antimateria en el universo sigue siendo un gran misterio para los científicos de hoy.

¿Por qué es tan escasa la antimateria?

Algunas proposiciones eliminan el enigma desde el principio, afirmando que originalmente hubo más materia que antimateria en el Big Bang. La teoría sostiene que solo se creó una pequeña cantidad de antimateria y que, después de la aniquilación inicial, aún quedó una enorme cantidad de materia para formar estrellas y galaxias. Según la teoría, la desproporción era de entre mil millones y mil millones.

Otra opción ha sido el neutrino, una partícula que aún no tiene su equivalente antipartícula. Los neutrinos tienen carga neutra y apenas interactúan con ninguna otra partícula. En teoría, los neutrinos podrían ser su antipartícula.

Algunos neutrinos pueden caer de vez en cuando a estados de antipartículas de baja energía, pero el resto permanece en su mayoría en sus estados de alta energía. A nivel universal, esto podría explicar el predominio de los estados de alta energía. Pero hasta ahora los experimentos no han sido concluyentes.

Hasta el momento, nada en física dota a la materia de cualidades que expliquen su predominio. Y dado que los pares de partículas son idénticos en todas las dimensiones, surge la pregunta de por qué deberían existir dos por separado en lugar de solo uno o nada en absoluto. ¿Y por qué la carga sería tan importante como para transformar a ambos en una sopa de energía al contacto?

Podríamos obtener más pistas de experimentos radiactivos que produzcan cantidades desiguales de partículas y antipartículas. Pero la discrepancia en estos experimentos no puede compararse con la que existe a nivel universal. Los grandes colisionadores están llenos de actividades antipartículas y los científicos descubren más sobre las cualidades de los espejos cada día.

Por ejemplo, un grupo de investigación de los colisionadores del CERN ha demostrado una diferencia ligeramente significativa en la cantidad de carga en las partículas de positrones de antihidrógeno en comparación con sus homólogos electrónicos. Otros investigadores están investigando los efectos de fuerzas como la gravedad y el electromagnetismo sobre partículas opuestas. También se espera que estos experimentos nos lleven a revelaciones innovadoras en campos como la mecánica cuántica y la relatividad.

¿Cuáles son algunas aplicaciones de la antimateria en la vida real?

La antimateria está en el centro de los procesos de desintegración radiactiva utilizados en los escáneres de tomografía por emisión de positrones (PET) en los hospitales. Este escáner permite obtener imágenes de alta precisión de las partes internas del cuerpo.

La chispa de energía de la colisión antimateria-materia podría tener aplicaciones en viajes espaciales. Los ingenieros han propuesto el combustible de antimateria como una forma más eficiente energéticamente de impulsar una nave espacial.

La NASA consideró seriamente la idea para viajar a Marte y enviar sondas al sistema estelar más cercano, Alfa Centauri. La energía de la colisión materia-antimateria puede hacer que una nave espacial viaje a velocidades cercanas a la luz, pero también lo suficientemente lentas como para capturar imágenes observables.

Una pequeña onza de combustible podría impulsar una nave espacial a velocidades cercanas a la de la luz durante décadas. Sin embargo, la idea resulta prohibitivamente cara con las tecnologías actuales. Como se señaló anteriormente, se necesita una cantidad increíble de recursos para producir una onza de antimateria.

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Según Gerald Smith, de Positronics Research LLC, “una estimación aproximada para producir los 10 miligramos de positrones necesarios para una misión humana a Marte es de unos 250 millones de dólares utilizando tecnología que está actualmente en desarrollo”. Esto parece bastante caro, pero no está muy lejos de los gastos actuales. Con las tecnologías actuales, cuesta 10,000 dólares llevar una libra al espacio. Un humano que viajara a Marte acumularía gastos de ocho o nueve cifras.