Antimateria

En química y física, la antimateria es la contraparte de la materia. Su existencia confirma la teoría científica de la simetría universal que dice que cada elemento del universo tiene su contraparte. La antimateria está compuesta de antipartículas, opuestas de las partículas que constituyen la materia normal. Un átomo de antihidrógeno, por ejemplo, está compuesto de un antiprotón de carga negativa orbitado por un positrón de carga positiva. Si una pareja partícula/antipartícula entra en contacto entre sí, se aniquilan y producen un estallido de energía, que puede manifestarse en forma de otras partículas, antipartículas o radiación electromagnética. En 1995 se consiguió producir átomos de antihidrógeno, así como núcleos de antideuterio, creados a partir de un antiprotón y un antineutrón, pero no se ha logrado crear antimateria de mayor complejidad.

La antimateria se crea en el universo allí donde haya colisiones entre partículas de alta energía, como en el centro de una galaxia, pero aún no se ha detectado ningún tipo de antimateria como residuo del Big Bang (cosa que sí se ha logrado con la materia). La desigual distribución entre la materia y la antimateria en el universo ha sido, durante mucho tiempo, un misterio. La solución más probable reside en cierta asimetría en las propiedades de los mesones-B y sus antipartículas, los anti-mesones-B.^[1]

Los positrones y los antiprotones se pueden almacenar en un dispositivo denominado "trampa", que usa una combinación de campos magnéticos y eléctricos para retener las partículas cerca del centro de un vacío. Para la creación de trampas que retengan átomos completos de antihidrógeno hace falta emplear campos magnéticos muy intensos, así como temperaturas muy bajas; las primeras de estas trampas fueron desarrollados por los proyectos ATRAP y ATHENA.

El símbolo que se usa para describir una antipartícula es el mismo símbolo para su contrapartida normal, pero con un sobrerrayado. Por ejemplo, un antiprotón se denota .

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La antimateria como combustible

En las colisiones entre materia y antimateria, toda la masa de las partículas se convierte en energía. Esta cantidad es mucho mayor que la energía química o la nuclear que puede obtenerse usando reacciones químicas o fisión nuclear. La reacción de 1 kg de antimateria con 1 kg de materia produciría 1.8×10¹¹ J (según la ecuación E=mc²). En contraste, quemar un kilogramo de petróleo produce 4.2×10⁵ J, y la fusión nuclear de un kilogramo de isótopos de hidrógeno produce 2.6×10⁸ J.

La escasez de antimateria significa que no existe una disponibilidad inmediata para ser usada como combustible. Generar un solo antiprotón es inmensamente difícil y requiere aceleradores de partículas, así como vastas cantidades de energía (mucho más de lo que se genera cuando este antiprotón se aniquila), debido a la ineficiencia del proceso. Los métodos conocidos para producir antimateria también producen una cantidad igual de materia normal, de forma que el límite teórico del proceso es que la mitad de la energía suministrada se convierte en antimateria. Inversamente, cuando la antimateria se aniquila con la materia ordinaria, la energía emitida es el doble de la masa de antimateria, de forma que el almacenamiento de energía en forma de antimateria podría ser (en teoría) de una eficiencia del 100%.

La producción de antimateria en la actualidad es muy limitada, si bien aumenta en progresión geométrica desde el descubrimiento del primer antiprotón en 1955. La tasa actual de producción de antimateria es entre 1 y 10 nanogramos por año, si bien se espera que se vea muy incrementada con las nuevas instalaciones del CERN y el Fermilab.

Con la tecnología actual, se considera que se puede obtener antimateria al coste de 25.000 millones de dólares por gramo (más o menos 1000 veces el coste del combustible propulsor de la lanzadera espacial), pero sólo si se optimizan los parámetros de colisión y recogida (y siempre según los costes actuales de generación eléctrica). Los costes de la producción en masa de antimateria están linealmente relacionados con los costes de la electricidad, de forma que es poco probable que se desarrolle el uso de la propulsión usando reacciones puras de materia y antimateria sin la aparición de tecnologías como la fusión de átomos de deuterio.

Dado que la densidad de energía es infinitamente mayor que con otras formas de combustible, la ecuación del cohete de Tsiolskovski sería muy distinta. La energía de unos pocos gramos de antimateria sería suficiente para transportar una nave pequeña a la luna. Se espera que la antimateria pueda usarse como combustible para los viajes interplanetarios o, quizá, viajes interestelares.

Historia de la antimateria

Fase teórica

  Hasta 1928 no se había desarrollado la idea de antimateria, ni siquiera como concepto, y mucho menos la capacidad de producirla. Los primeros trabajos en este sentido fueron desarrollados por Paul Dirac, quien publicó sus estudios en el año 1929, en la misma época en que se descubrían los primeros secretos de la materia, se teorizaba sobre el comportamiento de las partículas que comportan la fuerza débil, y se profundizaba en los estudios de los componentes de los átomos, especialmente en la teorización de la fuerza fuerte. Fueron tiempos en que la audacia tuvo una preeminencia como rol intelectual dentro del mundo de la física, en el cual se plantearon conceptos como el de la mecánica ondulatoria, el principio de incertidumbre o, también, el descubrimiento del espín en los electrones.

Este es el escenario científico e intelectual en el cual Paul Dirac 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, que debían tener la misma masa del electrón, pero de carga opuesta y que se aniquilarían al entrar en contacto con ellos, liberando energía. Este descubrimiento de Dirac fue tan revolucionario que lo hizo merecedor del Premio Nobel de Física en el año 1933.

Detección de las primeras antipartículas

El siguiente paso se dio en 1932, cuando Carl Anderson, del Instituto Tecnológico de California, en un proyecto, experimentando confirmó la teoría de Paul Dirac, al detectar la existencia de un positrón tras hacer chocar rayos cósmicos. Pasaron dos décadas para dar otro paso, que se produjo en 1955, cuando un equipo de la Universidad de Berkeley formado por los físicos Emilio Segre, Owen Chamberlain (ambos ganadores del Premio Nobel de Física de 1959), Clyde Weingand y Tom Ypsilantis lograron hallar el primer antiprotón, o sea, la primera partícula especular del protón (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- había terminado.

El siguiente paso se debió a científicos 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 Leon Max Lederman, lograron detectar la primera partícula compleja de antimateria, el antideuterio, formado por dos partículas básicas. Posteriormente, usándose el mismo acelerador se detectó el antihelio.

Con la inauguración, en 1978, de las instalaciones europeas del Consejo 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 pudo comprobarse una hipótesis valiosa: la cantidad de energía liberada por el choque era mil veces superior a la energía nuclear convencional.

Hacia la creación de antimateria

Sin embargo, para poder generar antiátomos faltaba un ingrediente que permitiera la combinación de antipartículas. 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, obstáculo que fue superado, en parte, gracias a los trabajos del profesor de física de la Universidad de Stanford, Stan Brodsky, y por el ingeniero físico chileno Iván Schmidt, de la Universidad Técnica Federico Santa María.

En 1992, Brodsky y Schmidt publicaron sus trabajos de complejos cálculos en los cuales sugerían la fórmula de un método para producir antiátomos, es decir, un modo de unir antielectrones y antiprotones. Esta teoría necesitaba un proceso con una serie de pruebas. A ellos se unió entonces Charles Munger, quién formó su propio equipo en Chicago para realizar los experimentos. Pero las publicaciones norteamericano-chilenas también llamaron la atención de físicos europeos del CERN, donde se formó un equipo multinacional encabezado por Walter Oelert con el objetivo de experimentar en la creación de un antiátomo. En la práctica, con ello, nació una competencia científico-mundial para alcanzar este logro.

El experimento del CERN

El 4 de enero de 1996, los científicos del CERN anunciaron su éxito tras 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 átomos de antihidrógeno. El método propuesto por Brodsky y Schmidt consistía, básicamente, en hacer chocar un haz de antiprotones con un gas. El experimento del CERN eligió el hidrógeno como elemento de trabajo porque es el más simple y abundante de todos los elementos químicos. El acelerador LEAR, con el cual se realizó el experimento, disparó un chorro de antiprotones a través de una fina nube de gas xenón.

Durante este proceso, se producen pares de electrón-positrón; luego, de esos positrones, una pequeña fracción viaja casi a la misma velocidad de los antiprotones, lo que implica que los positrones sean capturados por un antiprotón, tras lo cual ambas antipartículas se combinan para formar un antiátomo. Como estos átomos son eléctricamente neutros, el campo magnético del acelerador no los desvía y continúan una trayectoria recta que los lleva a atravesar a gran velocidad una fina barrera de silicio. Mientras que el antiprotón continúa su camino, el positrón choca contra el electrón, con lo que ambas partículas se aniquilan. El resultado es una emisión de rayos gamma que choca contra la barrera de silicio y deja la huella de todo el proceso.

Durante el desarrollo de estos primeros experimentos se detectaron once choques contra la barrera de silicio. De estos, 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, por lo 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- seguirían una órbita curva, pero el antiátomo (cuya carga total es neutra) no se vería afectado por el campo magnético y saldría en línea recta.

Uno de los problemas que planteó este proceso fue el de cómo atrapar y conservar la antimateria, evitando que explotara al tomar contacto con la materia. La solución del CERN fue usar un envase diseñado por el Laboratorio Nacional de Los Álamos de EE. UU. Este tipo de envase lograba mantener 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 vacío para evitar choques con átomos de aire, y el magnetismo impide que el antiprotón toque sus paredes, detonando una explosión de rayos gamma.

Posibles aplicaciones en el futuro

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. 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 en el 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. Con este fin en particular, la NASA ha desarrollado un proyecto para instalar en la estación espacial internacional , 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 explotado en nuestra galaxia, pero la detección de las más energéticas se ha conseguido en lugares 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.

También en otros campos científicos el descubrimiento de la antimateria podría tener aplicaciones inmensas: en el campo de la investigación aerospacial, en la medicina, etc. Se abre la posibilidad de obtener (a largo plazo, eso sí) una energía ilimitada y barata; motores para naves interestelares que podrían desarrollar velocidades superiores a un tercio de la de la luz, lo que abriría mayores posibilidades en la exploración del espacio.

Lo anterior no significa que se podrá contar a corto plazo con reactores de materia-antimateria, o que pronto se podrán unir antiátomos para crear antimoléculas. Hasta el momento, solamente se han desarrollado en laboratorio diecinueve antiátomos de hidrógeno, y el equipo estadounidense encabezado por Charles Munger proyecta lograr unos cien. Para poder contar con un supercombustible de antimateria hay todavía que pasar una multiplicidad de obstáculos. El primero es encontrar un método para crear antiátomos en reposo, en vez de a alta velocidades, para que no desaparezcan al chocar con la materia. Además, sería necesario lograr crear antiátomos más complejos que los de hidrógeno, lo cual, por ahora, parece casi inimaginable.

La antimateria en la ficción

• El ejemplo más famoso de utilización de este tipo de fuente de energía en la ficción se encuentra en la serie de ciencia ficción Star Trek, en la que la antimateria es utilizada como combustible para las naves espaciales.

• La trilogía La materia oscura de Philip Pullman es una historia de ciencia ficción que está basada en la teoría física de la antimateria.

• Otro ejemplo del uso de la antimateria en la ficción es la novela de Dan Brown, Ángeles y Demonios, en la que un Illuminatus roba un cuarto de gramo de antimateria del CERN para usarla como bomba en el Vaticano.

• Existe además un cuento corto de ciencia ficción donde se utiliza la antimateria como parte central de la trama, explicando sus características y sus efectos, con la irrupción de un cuerpo celeste de antimateria en el sistema solar y los planes que se realizan para anularlo: "Planeta Negativo", de John D. Clark, que aparece en el libro La Edad de Oro de la Ciencia Ficción II, antología dedicada por Isaac Asimov a los primeros relatos de ciencia ficción.

• La serie de Television Transformers hace referencia a cubos de antimateria como el principal combustible de esos seres.

• En el anime Lost Universe la nave Swordbreaker utiliza bombas de antimateria que cuando explotan se transforman en agujeros negros.

• En el videojuego de acción "Halo Combat Evolved" la nave llamada Pillar of Autum es atacada al principio con una carga de antimateria lo que inutiliza la mayoría de sus sistemas.

• En el videojuego de estrategia Empire Earth cierto tipo de robots pueden crear tormentas de antimateria para destruir aviones.

• En el libro Angeles y Demonios de Dan Brown, donde se roba una muestra de antimateria de un laboratorio del CERN, poniendo en peligro la Ciudad del Vaticano, en manos de una peligrosa y antigua organizacion, los Illuminati

Véase también

• Ambiplasma
• Materia

Referencias

Enlaces externos

• Portalciencia.com.ar - Nuevos estudios sobre la antimateria—Portal dedicado a la actualidad científica internacional.
• Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)—Centro de investigación de Antimateria (entre otras -- en inglés).
• Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN)—Centro internacional de investigación de física de partículas (en inglés y francés)
• Creación de armas de antimateria por la USAF (en inglés)