Antimateria.

La energía más poderosa del universo.

A mí El Código da Vinci –como obra de ficción que es, que hay algunos que se lo toman todo por la tremenda– no me disgustó demasiado; un relato de intriga apañadito, para pasar un buen rato en el tren. En cambio, ha caído recientemente en mis manos Ángeles y demonios y... jodó, qué malo es. No, no, no me quejo de su documentación científica: le es aplicable el mismo criterio que al otro. Me quejo de su literatura y de lo birrioso de la historia.

En fin. El caso es que a tantas vueltas con la antimateria, me han entrado ganas a mí también de hablar de la antimateria. :-D ¿Y qué será esto de la antimateria? Pues, como su nombre nos hace sospechar, la antimateria es un tipo de materia que tiene una propiedad invertida con respecto al resto de la materia bariónica. ¿Y qué es la materia bariónica? Pues la de todos los días: la que nos compone a ti y a mí, y constituye casi todo lo que ven nuestros ojos y tocan nuestras manos.

Ya hablamos un poquito –y hablaremos más– en este blog de la naturaleza de la materia y de la energía, de cómo surgieron los elementos que conocemos (aquí también) y de cómo creamos elementos nuevos. Esta materia bariónica que nos es tan conocida, a su escala más básica, está compuesta de quarks y normalmente acompañada por leptones.

Los leptones (como por ejemplo, el electrón o el neutrino) son partículas subatómicas que están sujetas al electromagnetismo, a la gravedad y a la interacción débil, pero no a la interacción fuerte (que es la fuerza más fuerte del universo, valgan las redundancias). Esto significa que tienen masa y spin y algunos presentan carga eléctrica, pero ninguno posee carga cromática. El más importante para constituir la materia que conocemos es el electrón, que tiene una masa muy pequeñita pero real, una carga eléctrica negativa y spin 1/2.

Los quarks están sujetos a las cuatro fuerzas, incluyendo la fuerte, y por tanto pueden presentar masa, spin, carga eléctrica y carga cromática. Este universo los sirve en seis sabores, que llamamos arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo. Para la formación de la materia bariónica los más relevantes son los dos primeros, pues componen los protones y neutrones. Ambos están formados por tres quarks. El protón, por dos arribas y un abajo. El neutrón, por dos abajos y un arriba.

Materia invertida.

La antimateria es, sencillamente, materia donde alguna de las cargas está invertida con respecto a la materia corriente. Veámoslo con un electrón, que se comprende muy bien. El electrón, como leptón que es, tiene masa y spin pero sólo una carga: la eléctrica, siempre negativa. Su antipartícula, llamada positrón, posee exactamente la misma masa, spin y carga eléctrica; sin embargo, en este caso la carga eléctrica es positiva.

De esta forma el positrón mantiene todas las propiedades de su antipartícula el electrón pero electromagnéticamente reacciona al revés. Por ejemplo: dos electrones, por tener carga negativa, tienden a repelerse entre sí. Pero un electrón y un positrón, aunque en todo lo demás sean idénticos, tienden a atraerse entre sí porque uno tiene carga eléctrica negativa y el otro positiva. Y así con todo.

Con los quarks ocurre lo mismo. El quark arriba, por ejemplo, tiene una carga eléctrica de +2/3 (dos terceras partes de la de un positrón). Antiarriba, en cambio, tiene una carga eléctrica de -2/3 (dos terceras partes de la de un electrón). Su carga cromática también cambia: si por ejemplo está en estado rojo, el antiquark estará en anti-rojo, que se suele llamar magenta. (Que esto de los colores no te confunda: es una forma simbólica de representar su estado de cara a la cromodinámica cuántica; no tiene nada que ver con colores de verdad).

Veamos lo que ocurre entonces con un protón y un antiprotón; por ejemplo, respecto al electromagnetismo, que es más sencillo. Hemos quedado en que los protones (como todos los bariones) están compuestos de tres quarks, y que en su caso éstos son dos arribas y un abajo. El quark arriba lleva una carga eléctrica de +2/3 y el quark abajo, otra de –1/3. Sumémoslas: (+2/3) + (+2/3) + (–1/3) = +3/3 = +1. Resultado: el protón tiene una carga positiva.

Ahora contemplemos el antiprotón, formado por dos antiquarks arriba (carga –2/3) y un antiquark abajo (carga +1/3). Observa que está formado exactamente igual, sólo que con las versiones invertidas de los quarks. Sumemos (–2/3) + (–2/3) + (+1/3) = –3/3 = –1. Resultado: el antiprotón tiene una carga negativa.

El resto de cargas también se invierten. En aquellos leptones que no tienen carga eléctrica (los neutrinos) se invierte otra propiedad distinta, la helicidad, que es la proyección del spin relativa al momento de inercia. O, alternativamente, es posible que sean partículas de Majorana y constituyan su propia antipartícula. Pero no nos compliquemos por el momento.

Bien. Entonces imaginemos un átomo, el más básico de todos: el hidrógeno-1 o protio (hidrógeno corriente). Está compuesto por un protón (carga eléctrica positiva) y un electrón (carga eléctrica negativa) en órbita alrededor. Esta configuración es posible porque el protón y el electrón, al tener cargas distintas, tienden a atraerse (igual que hace la gravedad con una nave espacial en órbita alrededor de un planeta).

Si sustituimos el electrón por su antipartícula el positrón, o el protón por un antiprotón, este átomo se vuelve imposible: ambos tendrían idéntica carga, se repelerían violentamente y saldrían despedidos cada uno por su lado.

Pero si sustituimos los dos –el electrón y el protón– por un positrón y un antiprotón, el átomo es igualmente posible porque las relaciones entre ambos se mantienen; sólo que ahora están invertidas. Ahora la carga positiva está en el positrón orbitando y la negativa se halla en el antiprotón del núcleo, pero como la relación entre ambas se mantiene (cargas invertidas), el átomo puede existir. Y se llama antihidrógeno. No sólo puede existir, sino que hemos fabricado un poquitín. El CERN (sí, los mismos del LHC) fue el primero en lograrlo, probablemente en 1995 y de manera verificada a partir de 2002 en sus deceleradores de partículas. En los aceleradores también se ha creado un pequeño número de núcleos de antideuterio (antihidrógeno-2) y antihelio-3. Hablamos, en todo caso, de cifras de billonésimas de gramo. Con la tecnología presente, su coste sería tan exorbitante como su rareza: aproximadamente, 50 billones de euros por un gramo de antihidrógeno.

Pero no todo es tan difícil. Por ejemplo, ya existen desde hace algunos años aplicaciones tecnológicas basadas en la antimateria, como la tomografía por emisión de positrones (PET) de uso generalizado en medicina moderna.

La aniquilación materia-antimateria y el problema de la contención.

Lamentablemente, no se conoce todavía ningún método eficaz para contener antiátomos sin que entren en contacto con la materia circundante. Las partículas con carga –positrones e iones o núcleos sueltos, por ejemplo– se pueden mantener durante algún tiempo en trampas magnéticas, como las trampas de Penning. Los átomos, en cambio, acaban entrando en contacto con la materia circundante y se aniquilan.

Se ha hablado mucho de la aniquilación materia-antimateria: la reacción más energética del universo, en la que ambas masas desaparecen por completo para liberar la energía que las forma según la famosa ecuación E = mc². Es absolutamente real y de hecho ocurre constantemente a nuestro alrededor, cada vez que una antipartícula natural entra en contacto con materia corriente (por ejemplo, en la atmósfera terrestre).

Lo que ocurre es que sus cargas –electromagnéticas, cromáticas o del tipo que sea– se cancelan entre sí. Supongamos un electrón y un positrón. Como poseen carga eléctrica opuesta, tienden a atraerse y finalmente colapsar entre sí, lo que daría lugar a una partícula con el doble de masa que un electrón (o un positrón) y carga cero. Sin embargo, tal partícula está fuera de los rangos de estabilidad de la materia: no puede existir en este universo. Es materia muerta, por así decirlo, incluso antes de llegar a ocurrir. Así pues, cambian a un estado más básico: pierden su masa y ésta se transforma íntegramente en energía. El resultado suelen ser dos rayos gamma (compuestos por fotones, carentes de carga y de masa efectiva) que conservan su momento linear y angular, así como la energía total (por el principio de conservación de la materia y de la energía). En resumen: que su materia se ha transformado íntegramente en energía, bajo la forma de radiación gamma.

A un protón y un antiprotón les pasa exactamente lo mismo: se transforman en rayos gamma y un pión neutral. Pero el pión neutral es altamente inestable y decae en una birrionésima de segundo para transformarse también en dos rayos gamma (o, a veces, en un par electrón-positrón). El neutrón y el antineutrón se convierten también en un par de rayos gamma, pero con una energía pavorosa. En suma: el encuentro entre materia y antimateria produce energía de la manera más óptima posible en este universo, en forma de radiación y conllevando a cambio la desaparición de la masa precedente. Esta es la tan cacareada aniquilación materia-antimateria.

La antimateria en el cosmos.

El descubrimiento de la antimateria se deriva de los primeros estudios sobre mecánica cuántica, a principios del siglo XX. La primera propuesta seria en este sentido la hizo Paul Dirac en 1928, elaborando sobre la versión relativista de la ecuación de onda cuántica de Schrödinger para el electrón, lo que le llevó a concluir teóricamente que podían existir antielectrones (positrones). Dan premios Nobel por estas cosas: Carl Anderson comprobó su existencia real en 1932 y Dirac se llevó el Nobel de Física ipso facto, en 1933, por esta y otras cosillas como postular buena parte de la teoría atómica moderna (a Anderson también se lo concedieron, en 1936). También escribió Principios de la Mecánica Cuántica, en 1930, una obra magna que marcó un antes y un después en nuestra comprensión de la realidad.

Dirac, un genio extremadamente humilde y ateo como él solo, de quien se ha dicho que sufría un cierto grado de autismo (aunque puede que fuera simplemente un carácter muy taciturno) teorizó más cosas sobre la antimateria. Según sus ecuaciones, validadas más allá de toda duda mediante el descubrimiento material del positrón y las restantes antipartículas, a cada partícula de este universo debería corresponderle una antipartícula... y deberían haberse aniquilado entre sí al principio de todo, impidiendo la consolidación de la materia. De hecho, según las observaciones realizadas –y a estas alturas hemos mirado muy lejos– la cantidad de antimateria en el cosmos es muy inferior a la de materia; tal fenómeno se llama asimetría bariónica.

Durante muchísimos años esta asimetría ha sido uno de los grandes problemas sin resolver en la física, y aún hoy en día sólo tenemos algunas hipótesis bien fundadas al respecto. Una posibilidad es que, simplemente, haya grandes cantidades de antimateria más allá de los límites del universo observable actualmente; sin embargo, esta especulación es poco elegante y no explica a qué se debe semejante separación, cuando materia y antimateria deberían atraerse entre sí. En general, representa una violación del principio cosmológico. Una hipótesis más interesante, postulada por Cronin y Fitch en 1964 (premios Nobel 1980) es la llamada violación de la simetría CP; el Nobel se debe a que esta violación ha sido verificada experimentalmente.

La simetría C y la simetría P vienen a regir la manera en que la materia y la antimateria pueden formarse. Ya en los años '50 se había constatado que algunas partículas no cumplen rigurosamente la paridad que se le suponía a todas ellas. Cronin y Fitch demostraron que estas simetrías se producen bajo la acción de todas las fuerzas menos una: la interacción débil. Esto significa que nuestro universo, al menos desde momentos muy tempranos, no es exactamente simétrico sino que está sesgado hacia la materia frente a la antimateria (a partir de donde algunos proponentes de multiversos sugieren la existencia de al menos otro universo que favorezca la antimateria frente a la materia). No es la única asimetría de nuestro universo: la quiralidad del cosmos está virada a la izquierda en todos sus ámbitos, desde la física a la biología (esto se suele convertir en una broma política, pero constituye un fenómeno fascinante del que hablaremos un día de estos).

De todas formas, parecen existir grandes acumulaciones de antimateria dentro del universo observable. El observatorio espacial europeo INTEGRAL ha confirmado la existencia de una de estas cerca del centro de nuestra propia galaxia: una nube de antimateria que emite fuerte radiación gamma porque está aniquilando positrones a razón de 1,5 seguido de 42 ceros cada segundo. No obstante, la proporción sigue siendo anómalamente baja y se sospecha que toda o casi toda la antimateria existente en el universo actual es reciente, creada en procesos vinculados a la materia.

Esta es una pregunta aún sin respuesta, que se estudia atentamente pues resolverla implicaría destruir uno de los grandes obstáculos para alcanzar una gran teoría unificada.


¿Antigravedad?

Hay quien ha especulado que la existencia de la antimateria implicaría la existencia de la antigravedad. Sin embargo, esto no está demostrado y todas las probabilidades apuntan a que sea una idea incorrecta. Sabemos que la materia atrae gravitacionalmente a la antimateria como si fuera materia corriente, no la repele como sería el caso si estuviéramos ante un fenómeno de antigravedad. La razón fundamental es que en la antimateria se invierte la carga, pero no la masa. En la antimateria, la masa sigue siendo masa, no antimasa.

Aunque el fenómeno inverso todavía no ha sido verificado (atraer gravitacionalmente materia con antimateria), debido a lo débil que es la gravedad y la poca antimateria que hemos logrado producir para su estudio, todo apunta a que materia y antimateria se atraen también por gravedad como si ambas fueran materia (o antimateria) corriente.

La antimateria como fuente (o acumulador) de energía.

Desde luego no es practicable con la tecnología presente, pero la interacción materia-antimateria ha sido evidentemente postulada muchas veces como una fuente (o al menos acumulador) de energía extraordinaria (para uso tanto civil como militar). Estas transformaciones de materia en energía por aniquilación, que como ya dije son las más energéticas posibles del universo conocido, son impresionantes.

Pongamos un ejemplo. Medio gramo de materia interactuando con medio gramo de antimateria (un gramo de masa total) genera espontáneamente 89.876 gigajulios de energía (se obtiene aplicando simplemente E = mc²; E = 0,001 · 299.792.458² = 89.875.517.873.682 J). En términos de energía utilizable, esto equivale a unos 25 gigawatios-hora (una central nuclear como Cofrentes tirando watios a toda mecha durante casi un día entero); si queremos presentarlo en términos de energía explosiva, son 21,5 kilotones: como Nagasaki más o menos. Con un solo gramo de material.

Comparemos. El uranio-235 de grado militar puede llegar a producir, óptimamente, 88,3 gigajulios por gramo; la mezcla usada normalmente en las centrales civiles, entre medio y tres y medio. Por debajo de mil veces menos. La fusión del deuterio-tritio en las armas termonucleares puede alcanzar 337 gigajulios por gramo; y la fusión más energética posible roza los 650; esto es, ciento y pico veces menos.

La aniquilación materia-antimateria tiene otra ventaja: a diferencia de la fusión, se produce espontáneamente en todos los rangos de energía. A diferencia de la fisión, se produce con cualquier cantidad de materia/antimateria. Esto significa que no presentaría problemas de contención: el diseño conceptual de un reactor de materia-antimateria se parecería mucho al de un carburador o, si lo prefieres, a un motor cohete o una central térmica normal. Si necesitas más energía aumentas un poco el flujo, si necesitas menos lo reduces, si dejas de necesitar lo cortas. Eso es todo.

El problema ya lo hemos visto antes y es en esencia el de siempre: no existe hoy por hoy ninguna forma práctica de producir antimateria en cantidades industriales; mucho menos, de hacerlo a un coste económica y energéticamente rentable (se consume mucha más energía para producir un átomo de antimateria que la energía resultante generada por la aniquilación de ese átomo).

Sin embargo, esta es una posibilidad realista si lográramos crear una fuente de antimateria practicable. Por ello y por todo lo demás aquí expuesto, constituye un campo de investigación extremadamente interesante para la física teórica. El CERN europeo ha dedicado y dedica grandes esfuerzos en este ámbito.

El estudio de la antimateria –que ya nos trajo enormes beneficios como parte de las teorías atómica y cuántica, sin las cuales jamás habrían surgido todas las tecnologías contemporáneas que usamos cotidianamente– puede aportarnos inmensos conocimientos sobre la naturaleza profunda de la realidad, sobre el origen y evolución del universo y sobre nuevas formas de producción energética que ahora mismo sólo podemos soñar; por no mencionar sus utilidades médicas y en otras ciencias aplicadas. Debido a todo ello, seguiremos oyendo hablar de ella durante mucho tiempo más.

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De la materia y de la energía.

Echando un vistazo a la naturaleza íntima de la realidad (I)

Todo lo que hay en este universo se manifiesta a nuestros ojos e instrumentos en dos formas bien conocidas: la materia y la energía. Este hecho simple, que es cierto hasta donde hemos llegado a observar –y a estas alturas hemos llegado a observar muy lejos–, ha dado lugar a numerosas disquisiciones científicas, filosóficas e incluso teológicas a lo largo de la historia. Pero, ¿qué son? ¿Cuál es su naturaleza? ¿Por qué están ahí?

Pese a cierta tendencia que tiende a considerar a la energía en un plano superior al de la corruptible y pecaminosa materia (como si en ete universo hubiera algo superior a cualquier otra cosa), la energía es la más básica y primaria, la menos organizada y más fácil de entender de las dos. Aunque, en realidad, las dos viajan indisolublemente trenzadas por el espacio y el tiempo: en el cosmos presente, no hay energía desvinculada de la materia ni materia desvinculada de la energía (la ecuación más conocida que relaciona la una con la otra es, naturalmente, E = mc²).

Cualquier manual de física elemental describe a la energía como la capacidad de una fuerza para realizar un trabajo. Dicho muy a lo bruto: la característica fundamental de una energía es que hace cosas, o puede hacerlas: mover esto, calentar aquello, aniquilar lo de más allá.

Vemos, pues, que para tener energía hace falta una fuerza primero. Aunque de vez en cuando se postule alguna quinta fuerza más allá del Modelo Estándar, en estos momentos tenemos bien identificadas cuatro fuerzas o interacciones fundamentales: fuerte o cromática, electromagnetismo, débil y gravedad. Cada una de ellas tiene una teoría que la explica, y una partícula asociada que la transporta; excepto la gravedad, donde se ha postulado el gravitón pero todavía no se ha observado. Repasémoslas:

• Interacción fuerte o cromática, estudiada por la cromodinámica cuántica. Es la más intensa de las cuatro, con muchísima diferencia. Mantiene juntos los quarks para formar protones y neutrones, y los protones y neutrones juntos para formar núcleos atómicos, estructuras esenciales de la materia. La partícula subatómica vinculada a esta fuerza es el gluón.
• Electromagnetismo, estudiada por la electrodinámica cuántica. Es cien veces más débil que la cromática. Mantiene juntos los núcleos atómicos con sus electrones para formar átomos, y las moléculas entre sí, lo que viene a constituir la materia macroscópica. La partícula mensajera de esta fuerza es el fotón.
• Interacción débil, estudiada por el modelo electrodébil. Es cien mil millones de veces más tenue que el electromagnetismo, y diez billones de veces menor que la cromática. Es la causante inmediata de la radiactividad. Sus partículas mediadoras son los bosones W y Z.
• Gravedad, estudiada por la relatividad general. Aunque no lo parezca cuando nos caemos, o cuando vemos planetas orbitando alrededor de sus soles o galaxias en sus supercúmulos, es inconcebiblemente débil: cuatrillones de veces más tenue que las anteriores. Su partícula mensajera hipotética, el gravitón, resulta complicadísima de encontrar debido a su baja interacción con el resto de la realidad. Se requerirán, por tanto, aceleradores de partículas muy potentes –más que el LHC– para detectarla sin duda de ninguna clase.
  

Las cuatro fuerzas fundamentales tienen características comunes, y la más notoria de ellas es que las cuatro obedecen a la teoría de campos (clásica y cuántica). Estas similitudes nos hacen sospechar que todas ellas forman parte de una realidad que las engloba y explica conjuntamente; por eso, los físicos de altos vuelos andan detrás de una teoría del campo unificado que explicaría una gran parte de la realidad y abriría el paso a la teoría del todo. En estos momentos, la teoría electrodébil unifica ya en gran medida la interacción débil con el electromagnetismo.

¿Y la materia? La materia podría definirse como cualquier cosa que tiene masa y ocupa un volumen en el espacio; aunque algunas de las partículas transportadoras de fuerzas, como los bosones W y Z, también poseen estas propiedades. La materia bariónica –esa que constituye todo lo que vemos y tocamos, incluyéndonos a ti y a mí– está compuesta por quarks y leptones (el leptón más conocido es el electrón). La inmensa mayoría, sólo por cuatro de ellos: el quark arriba, el quark abajo, el electrón y el neutrino.

Aunque las características de la masa son bien conocidas, su naturaleza profunda aún permanece oculta. El bosón de Higgs, comúnmente conocido como la partícula de Dios, podría haber sido clave en el surgimiento de la misma mediante el mecanismo de Higgs. El mecanismo de Higgs, que puede quedar a nuestro alcance gracias al LHC e incluso se puede aproximar en el Tevatrón, explicaría la manera en que la energía se convirtió en materia y puede dar un paso de gigante hacia la comprensión de cómo empezó todo.

Sabemos que la materia bariónica (corriente) se organiza en átomos. Dependiendo del número de protones que haya en el núcleo de cada átomo, estaremos ante un elemento u otro: esto es el número protónico, más conocido como número atómico. Un átomo cuyo núcleo alberga un solo protón, por ejemplo, es hidrógeno. Si tiene dos, es helio. Si tiene tres, litio. Si tiene seis, carbono. Si tiene ocho, oxígeno. Si contiene 79 será oro, 92 y tendremos uranio, 94 y será ya plutonio. Y así con todos. La tabla periódica de los elementos de Mendeleev nos lo organiza de una manera muy visual:

No todos los núcleos atómicos son estables. De hecho, sólo existe un estrecho rango de combinaciones estables entre protones y neutrones. En realidad, cualquier núcleo con más de 83 protones (es decir, el bismuto) es esencialmente inestable y tiende a dividirse rápidamente en otras cosas, con las notables excepciones del torio y el uranio, que aunque no son estables del todo aguantan bastante tiempo (tanto, que aún los podemos encontrar en las minas). Glenn Seaborg postuló la posible existencia de una isla de estabilidad más allá del número atómico 100, lo que permitiría crear en un reactor nuclear o un acelerador de partículas átomos más o menos firmes de elementos excepcionales que actualmente no están presentes en el universo. De momento, esto no se ha conseguido.

Es posible convertir unos elementos en otros en el laboratorio: el sueño del viejo alquimista hecho realidad. Por ejemplo, es relativamente fácil transmutar mercurio en oro irradiándolo con rayos gamma. Pero si estás pensando en montarte un negociete, me temo que no es posible en el momento actual: este oro es enormemente caro, mucho más que el natural, debido al coste de la energía necesaria. La plata, el paladio, el rodio y el rutenio se extraen habitualmente del combustible consumido en los reactores nucleares (originalmente, uranio) aunque, de nuevo, no acaba de ser económico.

Una propiedad intrigante de la materia es la dualidad onda-partícula que estudia (entre otras muchas cosas) la mecánica cuántica (ver este curiosísimo video). Algunos piensan que esto debe ser alguna clase de brujería, pero se verifica constantemente en el laboratorio: la materia puede comportarse a la vez como si fuera materia y energía, y se decanta por ser una cosa u otra según la interacción a que se vea sometida. Esta característica tan peculiar y contraria al sentido común nos ha abierto unas puertas extraordinarias para comprender mejor la naturaleza íntima de la realidad.

Próximamente: Del calor, el tiempo, la entropía y la fluctuación.

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