Vivimos en un universo donde hay mucha materia y, en general, no hay antimateria en absoluto. Dos de nuestros lectores quieren saber qué es la antimateria y un físico les da una respuesta a esta pregunta.
Antimateria. De esta palabra se respiran libros y películas fascinantes en las que los villanos llegan a los explosivos de la antimateria o las naves espaciales viajan con ese combustible.
Pero, ¿qué es esta sustancia? ¿Qué es, en esencia, antimateria?
A los lectores de Wiedenskub les gustaría mucho saber esto. Han leído algunos de los muchos artículos que hemos publicado sobre los experimentos de los físicos con la antimateria, pero les encantaría saber más.
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Primero, debemos aclarar que la antimateria de los físicos no debe confundirse con aquellos anticuerpos que conocemos de la biología y la medicina. Allí, los anticuerpos (también llamados inmunoglobulinas) son compuestos proteicos especiales que forman parte de las defensas del cuerpo contra las enfermedades. Pueden unirse a moléculas extrañas y así proteger al cuerpo de microorganismos y virus.
Pero aquí no hablaremos de ellos. Contactamos con un científico del mundo de la física: Nikolaj Zinner, profesor del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Aarhus, estará encantado de hablarnos sobre la antimateria.
Sustancia con carga opuesta
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“Todas esas partículas que, como sabemos, están en la naturaleza, todo lo que constituye nuestro mundo, existen en variantes con carga opuesta. Esto es antimateria”, dice Nikolai Sinner.
“La antimateria se ve exactamente igual y tiene la misma masa que la materia ordinaria, pero tiene exactamente la carga opuesta. Por ejemplo, los positrones cargados positivamente tienen electrones cargados negativamente. Los positrones son antipartículas de electrones.
Así que no hay nada fundamentalmente inusual en la antimateria. Es simplemente una sustancia con una carga opuesta en relación con la sustancia en el entorno en el que generalmente nos encontramos. Pero por qué hay tan poco es solo un misterio, y volveremos a esto más adelante.
“En la vida cotidiana no encontramos antimateria, pero aparece en muchas situaciones, por ejemplo, durante la desintegración radiactiva, bajo la influencia de la radiación cósmica y en aceleradores. Simplemente vuelve a desaparecer muy rápidamente. Cuando un positrón se encuentra con un electrón, el resultado es energía pura en forma de dos partículas de luz de alta energía: los cuantos.
Desaparece en un destello de luz
“Aquí hay un electrón y un positrón, tienen cargas opuestas, por lo que se atraen. Pueden acercarse mucho entre sí, y cuando esto sucede, se fusionan y forman dos fotones. Esta es una consecuencia de las leyes de la naturaleza, dice Nikolai Sinner. "La masa de dos partículas se convierte en energía en forma de dos partículas: cuantos de radiación gamma".
“Si tuvieras mucha antimateria y permitieras que entrara en contacto con la materia ordinaria, provocarías una reacción muy poderosa. Y viceversa: la energía se puede convertir en materia y antimateria, y esto sucede en los aceleradores de partículas”.
Utilizado en escáneres médicos
Es este fenómeno, cuando el encuentro de materia y antimateria lleva a su desaparición y la liberación de energía, es probablemente lo primero que fascina a los autores de ciencia ficción.
Por ejemplo, la antimateria juega un papel importante en Ángeles y demonios de Dan Brown, y en Star Trek, las naves interestelares funcionan con antimateria.
Pero en el mundo real, la antimateria tiene una aplicación más pacífica.
La antimateria en forma de positrones de la desintegración de materiales radiactivos se utiliza en hospitales en escáneres PET (tomografía por emisión de positrones), que pueden tomar fotografías de órganos internos y detectar procesos no saludables en ellos.
“Así que la antimateria no es tan mística. Esta es una parte de la naturaleza que disfrutamos usar”, dice Nikolai Sinner.
También nos exponemos a la antimateria al comer plátanos. Contienen potasio, que es ligeramente radiactivo y libera positrones cuando decae. Aproximadamente cada 75 minutos, un plátano emite un positrón, que choca rápidamente con un electrón y se convierte en dos fotones gamma.
Pero todo esto no es absolutamente peligroso. Para obtener una dosis de radiación que se corresponda con la que obtenemos al tomar una radiografía, tendremos que consumir varios cientos de plátanos.
Se predijo incluso antes del descubrimiento
Puede comprender mejor qué es la antimateria si observa la historia de su descubrimiento. Curiosamente, la existencia de la antimateria se predijo incluso antes de que fuera descubierta.
En la década de 1920, resultó que una nueva teoría llamada mecánica cuántica era perfecta para describir las partículas más pequeñas de materia: átomos y partículas elementales. Pero no fue tan fácil combinar la mecánica cuántica con la segunda gran teoría del siglo XX, la teoría de la relatividad.
El joven físico británico Paul Dirac se apresuró a resolver este problema y logró derivar una ecuación que combina la mecánica cuántica con la relatividad especial.
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Con la ayuda de esta ecuación, fue posible describir el movimiento de un electrón, incluso si su velocidad se acercaba a la velocidad de la luz.
Pero la ecuación preparó una sorpresa. Tenía dos soluciones, como la ecuación "x² = 4": x = 2 y x = -2 ". Es decir, podría describir no solo el electrón conocido, sino también otra partícula: un electrón con energía negativa.
Descubierto en la celda de Wilson
Entonces no sabían nada sobre partículas con energía negativa, y Paul Dirac interpretó su descubrimiento de la siguiente manera: puede haber una partícula que sea exactamente igual a un electrón, con la excepción de la carga opuesta.
Si el electrón tiene carga negativa, entonces debe haber una partícula correspondiente con carga positiva. Según los cálculos, la misma regla debería aplicarse a todas las partículas elementales, es decir, en general, a todas las partículas que componen el mundo.
Y así comenzó la búsqueda del anti-electrón. El físico estadounidense Carl Anderson usó una cámara de niebla (también conocida como la cámara de Wilson) para detectar rastros de partículas del espacio que tienen la misma masa que un electrón, pero con la carga opuesta.
Así es como se descubrió el antielectrón de Dirac, que se denominó positrón, abreviatura de "electrón positivo". A partir de ese momento, paso a paso, se fueron descubriendo nuevas antipartículas.
El universo era pura energía al principio
Dirac sugirió que las estrellas distantes, quizás la mitad de todo lo que vemos en el cielo, pueden estar compuestas de antimateria, no de materia. Esto se desprende, por ejemplo, de su discurso, que pronunció al recibir el Premio Nobel de Física en 1933.
Pero hoy sabemos que todo en el universo se compone únicamente de materia y no de antimateria. Y esto es realmente misterioso, porque al comienzo de la existencia del universo debería haber aproximadamente la misma cantidad de ambos, explica Nikolai Sinner.
“Si empezamos a rebobinar el desarrollo del universo, la energía será cada vez mayor. La densidad aumentará, la temperatura aumentará. Finalmente, todo se convertirá en energía pura: partículas portadoras de energía o de fuerza como los fotones. Este fue el comienzo del universo, según nuestras teorías cosmológicas más comunes.
“Y si volvemos a avanzar desde este punto de referencia, entonces en algún momento la energía tendrá que empezar a convertirse en materia. Es perfectamente posible crear materia a partir de energía pura, pero en este caso se obtiene tanta antimateria como materia. Ese es el problema: esperaría la misma cantidad de ambos.
“Debe haber alguna ley de la naturaleza que sea responsable de que hoy en día haya más materia que antimateria. Y no se puede decir nada más sobre este desequilibrio. Y entonces esta asimetría podría explicarse.
Los neutrinos ayudarán a resolver el acertijo
La gran pregunta es en qué parte de las leyes de la naturaleza se debe buscar la razón de la victoria de la materia sobre la antimateria. Los físicos están tratando de resolver esto mediante experimentos.
En el Centro de Investigación del CERN en Suiza, la antimateria se produce y queda atrapada en campos magnéticos, y a través de una serie de experimentos con antihidrógeno, los físicos están tratando de encontrar una respuesta a la pregunta de si la materia y la antimateria son imágenes especulares exactas entre sí.
Quizás todavía haya una pequeña diferencia entre ellos, con la excepción de la carga, y esta diferencia ayudará a explicar por qué hay tanta materia en el universo en relación con la antimateria.
Gestionado para crear antihelio
Dado que la antimateria es muy rara y desaparece rápidamente cuando se encuentra con una sustancia, no hay moléculas de antimateria en la naturaleza y solo se pueden crear sus moléculas más pequeñas.
En 2011, los científicos estadounidenses lograron crear antihelio. No había átomos más grandes.
En Wiedenskab hemos escrito mucho sobre estos experimentos, que hasta ahora demuestran que la antimateria se comporta exactamente de la misma manera que la materia, que, por ejemplo, se describe en el artículo “El científico de Aarhus ha realizado las mediciones de antihidrógeno más precisas de la historia”. Y, quizás, resolver este acertijo nos ayudará a encontrar partículas elementales llamadas neutrinos. Escribimos sobre esto en el artículo "El experimento del hielo revelará el secreto de la materia".
“Podemos esperar encontrar la respuesta en el neutrino, porque ya sabemos que se comporta de manera extraña. Aquí hay muchas lagunas en la física, por lo que sería prudente comenzar a investigar aquí”, dice Nikolai Sinner.
La antimateria en sí no es tan mística, pero los físicos aún no han descubierto por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo de hoy. Están trabajando en este tema.
Henrik Bendix
