Fábricas de antimateria

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“Según la mitología de los egipcios, Abtu y Anet son dos peces idénticos y sagrados que van nadando ante la nave de Ra, dios del sol, para advertirlo contra cualquier peligro. Durante el día, la nave viaja por el cielo, del naciente al ponente; durante la noche, bajo tierra, en dirección inversa.”

Jorge Luis Borges,  “El libro de los seres imaginarios”

Esta es una historia sobre la vida y la muerte, sobre el misterio de lo efímero de la existencia, sobre la cruel desigualdad de la naturaleza. Y no estoy bromeando, ni mucho menos, también es una historia de lucidez y valentía que culmina con el más reciente y muy emocionante experimento que se ha hecho en el CERN: la creación de un átomo de antihidrógeno. Es una historia sobre el mundo de escala subatómica, de la antimateria, de ese lindo experimento y lo que significa.

La revelación de la antimateria

Los grandes descubrimientos que marcaron la física del siglo XX tienen cientos de héroes, sin exagerar, fue un trabajo colectivo impresionante. Rutherford, Bohr, Bethe, Pauli, Planck, Fermi, Feynman, Tomonaga, Einstein, Lorentz, Poincaré, por nombrar algunos, son arquitectos de hermosas construcciones teóricas y hallazgos experimentales del mundo atómico, de las grandes velocidades, del comportamiento de la luz y su interacción con la materia, de la estructura interna del núcleo del átomo y de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Estamos hablando de la mecánica cuántica, la relatividad especial y las teorías posteriores que son cuánticas y relativistas a la vez y que constituyen el marco matemático del Modelo Estándar de partículas elementales.

Así que, por lo general, es injusto dar crédito a unos pocos. Sin embargo, para hablar de antimateria, hay que dedicarle un apartado especial al físico inglés Paul Dirac, quien ocupó la silla Lucasiana de la Universidad de Cambridge, la misma que ocupara Newton 300 años antes. Sin duda un honor a la altura de su genio.

En 1928, Dirac dedujo una descripción matemática del electrón que era cuántica y relativista a la vez. Era un matrimonio urgente para la época, pero muy difícil de establecer. Dirac construyó una ecuación definida exitosamente en ambos marcos teóricos pero con un precio interpretativo muy grande a pagar: aparentemente admitía soluciones de “energía negativa” que no tenían sentido.

Muy a pesar de esta desagradable consecuencia, la ecuación de Dirac fue muy exitosa, era capaz de describir correctamente las propiedades físicas del electrón, más aún, era capaz de describir comportamientos característicos del átomo de hidrógeno que no se habían podido explicar con la teoría cuántica no-relativista. Valía la pena enfrentar la ecuación y darle una reinterpretación. Efectivamente, una cuidadosa revisión de la ecuación de Dirac nos lleva a que la idea que subyace la unión entre la mecánica cuántica y la relatividad especial es la existencia de una simetría fundamental de la naturaleza, no revelada hasta el momento, que ahora conocemos como la “Conjugación de Carga” y con ella la necesidad de la existencia de una partícula con las mismas propiedades que el electrón, pero con carga positiva: el positrón. De modo que esas soluciones desagradables representan en realidad la antimateria. La Conjugación de Carga nos dice que por cada partícula debe existir una antipartícula. Años más tarde, el positrón sería descubierto experimentalmente y hoy por hoy ya hemos comprobado que, efectivamente, cada pieza de la taxonomía subatómica tiene su antipartícula. Como físico teórico, para mi, es difícil no sentir una caricia eléctrica sobre la piel mientras escribo: nada más cercano a una experiencia espiritual que ser capaces de leer los secretos de la naturaleza en las matemáticas.

El descubrimiento del positrón

En 1932 Carl Anderson, en un experimento diseñado para observar los rayos cósmicos secundarios, descubrió la presencia de los positrones. El experimento es relativamente sencillo. Consiste en fabricar una cámara de niebla que es un contenedor de vidrio con un poco de alcohol en estado gaseoso, disuelto en aire, que se coloca sobre un bloque de hielo seco para mantenerlo frío. La intención es llevar el alcohol a condiciones llamadas de “sobresaturación”; es decir, el alcohol se condensará con cualquier perturbación ionizante del aire, por ejemplo, al paso de partículas de escala subatómicas como electrones, protones, etc. En ese momento, el alcohol condensa dejando un rastro visible (como una nubecilla apenas perceptible) que puede ser capturado en fotografías para analizar, lo que se interpreta como las trayectorias de esas partículas.

Si colocamos este sistema en un campo magnético, la partículas errantes cargadas se desvían en dirección determinada por el signo de su carga (positiva o negativa). Las partículas cósmicas secundarias viajan al 99% de la velocidad de luz, con este montaje experimental, es increíblemente difícil saber de donde vienen o qué dirección toman, lo único que queda para analizar es la trayectoria registrada en las fotografías. Anderson, en un chispazo de inteligencia, se le ocurrió colocar una barra de plomo en medio de la cámara de niebla para observar el cambio de curvatura (o qué tan pronunciada es la desviación) en las trayectorias. Mientras mayor velocidad traiga la partícula, la desviación producida por el campo magnético tendrá menos curvatura; al chocar con la barra, la partícula pierde energía y la curvatura se pronuncia. Ya con la dirección clara de la desviación, se puede deducir la carga eléctrica. La curvatura de la trayectoria también habla de su masa, mientras menos masa, mas curvatura. las partículas muy masivas como el protón por lo general se desvían muy poco. El experimento de Anderson confirmó así la existencia del positrón.

PositronDiscovery
Placa de Anderson Original
Antihidrogeno.001
Placa de Anderson Comentada

La cámara de niebla fue el primer montaje experimental que nos permitió observar el comportamiento de las partículas provenientes de los rayos cósmicos. Para la época, era la única manera de entrar en contacto con el cosmos de escala subatómica, antes de la fabricación de los grandes aceleradores. Hoy, las antipartículas son el pan de cada día, son observadas por millones, tanto en los rayos cósmicos como en los aceleradores de partículas como el Fermilab, DESY o CERN.

Consecuencias de la ecuación de Dirac

En 1933 Paul Dirac recibió el premio Nobel de Física por su exitosa teoría del electrón. No obstante, las consecuencias de la ecuación de Dirac y de todo el desarrollo matemático posterior son extraordinarias. Otra consecuencia fundamental de la mecánica cuántica relativista es la necesidad de la descripción de conjuntos de partículas simultáneamente; que derivó en lo que hoy conocemos como la teoría cuántica de los campos. Los campos son representaciones de conjuntos de cantidades arbitrarias de partículas que viven “desparramadas” por el espacio. La evidencia  experimental, que es el centro de estos modelos teóricos, toca las entrañas de la metafísica y desafía las discusiones griegas sobre el átomo: hemos descubierto que las partículas elementales no son permanentes. Que nacen y mueren, que se crean y se aniquilan en cuestión de segundos y frente a nuestros ojos, en reacciones que bien asemejan a las de los compuestos químicos. Cantidades medibles se conservan: la carga, la energía, el espín y otros que técnicamente llamamos números cuánticos. Pero el electrón deja de ser, así como el muón, el fotón, el positrón, los quarks y todas los entes de su especie, y reaparecen en otros lados con otras formas, masas, cargas, sabores…Cantidades inconmensurables de data con los rastros de las partículas y sus interacciones así lo muestran. En este escenario, pierde completamente el sentido del estudio de una  sola partícula. En vez de eso, lo que se pone bajo la lupa son las interacciones entre ellas.

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Evidencia experimental de creación de pares en la cámara de niebla: electrón positrón a partir de un fotón muy energético. Crédito de la foto: CERN.

En la gráfica vemos, por ejemplo, la creación de pares electrón/positrón, en un medio,  a partir de un fotón muy energético. Es una reacción estándar observada a diario en los aceleradores. Así como ocurre esta, también tenemos la aniquilación de pares: un electrón y un positrón se encuentran y se aniquilan para producir 2 fotones. De estas observaciones se infiere que si nuestro mundo cercano tuviese tanta antimateria como materia, estos procesos estarían a la orden del día y, en un consecuente torbellino de destrucción, posiblemente no habría lugar para la vida como la conocemos. ¿A qué debemos dar gracias por nuestra existencia? En otras palabras, ¿por qué, hasta donde hemos podido observar, parece haber mucha más materia que antimateria ? El misterio que encierra esta aparente asimetría esta aun por resolverse. Desde el punto de vista cosmológico no hay ninguna razón para pensar que durante el Big Bang se haya creado más materia que antimateria.

Fábricas de antimateria

Las colaboraciones ATRAP, ALPHA y ACUSA del CERN han estado trabajando en el diseño experimental para la creación de átomos de antihidrógeno, que consisten de un antiprotón y un positrón (en lugar de un protón y un electrón). Debido a que la antimateria y la materia tienden a aniquilarse, es un montaje difícil, así que tienen que usar técnicas de enfriamiento y confinamiento, que han costado más de veinte años de esfuerzo. Efectivamente una gran cantidad de antihidrógeno que se logra producir, termina aniquilándose contra las paredes del contenedor, mientras una mínima fracción logra quedar confinada de manera estable. En junio de 2011, ALPHA reportó haber sido capaz de mantener átomos de antihidrógeno por más de 16 minutos, tiempo suficiente para estudiar sus propiedades en detalle. La idea es comparar las propiedades del antihidrógeno con las del hidrógeno y revisar si se comporta según las predicciones teóricas o si se abre una caja de Pandora para el mundo de la antimateria. Por ejemplo, se espera que el antihidrógeno sea eléctricamente neutro, como lo es el hidrógeno; así como también se espera que los espectros de emisión y absorción sean iguales. Recientemente, ALPHA logró obtener resultados que indican que efectivamente la carga eléctrica del antihidrógeno es neutra. Otra pregunta interesante es si los efectos gravitacionales que se observan en la materia, también son validos cuando se trata de la antimateria, en teoría si, pero la comunidad científica siempre está ávida de evidencia. Dos colaboraciones más, ELENA y GBAR se preparan para enfrentar esta pregunta. En suma, el estudio experimental de la antimateria es fundamental para entender la evolución y composición del universo.

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6 Replies to “Fábricas de antimateria”

  1. Gracias por el artículo.
    Hay una errata graciosa:
    Cuando mencionas el experimento de Carl Anderson dices que buscaba los rayos comicos secundarios. Jeje rayos cómicos.
    Bueno un saludo. Comparto en las redes.

  2. Gracias Eduardo, ¡qué bien que te diste cuenta! ya esta arreglado ;). ¡Saludos! Y gracias por leer y compartir ;).

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