La antimateria

El descubrimiento de la antimateria fue iniciada por Paul Dirac

El desarrollo de las matemáticas a comienzos del siglo XX tuvo mucha influencia en el descubrimiento de la antimateria.

En el año 1928, un joven físico inglés Paul Dirac (1902-1984) formuló una ecuación matemática que combinaba los principios de la relatividad de Einstein con los postulados de la física cuántica de Niels Bohr.

Esta ecuación era considerablemente árida y complicada. Pero cuando este genio de las matemáticas emprendió la tarea de explorar sistemáticamente las consecuencias de su ecuación, se encontró con una verdadera mina de informaciones.

Una de estas consecuencias era que la existencia ya comprobada del electrón implicaba la existencia de un hermano gemelo, con características idénticas sólo que con carga eléctrica positiva. Le llamó anti-electron. Hoy se le llama también positrón.

De su ecuación se desprendía también que el encuentro de un electrón con un anti-electrón hacía que ambas partículas se aniquilaran mutuamente y que se transformaran en fotones.

Paul dirac

Paul Dirac

Actualmente está comprobado que la antimateria es algo real. Todas las partículas elementales tienen una contraparte con la misma masa pero carga opuesta. Cuando una partícula choca contra su antipartícula, ambas se destruyen, produciendo otras partículas, por ejemplo fotones o rayos gamma.

Las unidades elementales de la materia son el protón, con carga eléctrica positiva; el electrón, con carga eléctrica negativa; y el neutrón, sin carga eléctrica.

Las unidades elementales de la antimateria son el antiprotón, con carga negativa; el antielectrón, llamado positrón, con carga positiva.

El protón está en el núcleo del átomo de la materia, y el antiprotón en el núcleo del átomo de la antimateria. El electrón es la partícula que orbita alrededor del núcleo de la materia, y el positrón es la que orbita alrededor del núcleo de la antimateria.

La antimateria podría usarse como combustible de naves espaciales.

Antimateria

El antielectrón es tan estable como el electrón. Es idéntico al electrón en todas las propiedades fundamentales (masa, espín), excepto en su carga eléctrica.
El tiempo de su existencia podría ser indefinido. Pero, cuando el antielectrón se encuentra con un electrón, el tiempo medio de la existencia de ambos baja a una millonésima de segundo. Durante un breve momento, el electrón y el antielectrón empiezan a  girar en torno a un centro de fuerza común. Al cabo de una diezmillonésima de segundo se produce una neutralización mutua y ambos desaparecen sin dejar ningún rastro de materia. A cambio, se ha generado energía en forma de fotón o radiación gamma.

El antiprotón y el protón tienen una vida similar a la pareja electrón-antielectrón. En una ínfima fracción de segundo, el antiprotón desaparece al aniquilarse con un protón y transformarse también en fotones o rayos gamma.
 
La carga eléctrica de un neutrón sigue siendo un misterio. Los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalentes que dan como resultado una carga cero. Sin embargo, por alguna razón desconocida, cuando la partícula gira, se crea un campo magnético. El antineutrón es un neutrón cuyo movimiento rotatorio se ha invertido.

Los médicos saben que los tejidos del cuerpo humano invadidos por el cáncer, tienen un elevado consumo de glucosa. Se descubrió que el flúor-18 es un radioisótopo emisor de positrones y que, además, se une con facilidad a la glucosa.

Cuando el positrón del flúor-18 se encuentra con un electrón de la glucosa, ambos se destruyen y generan rayos gamma que pueden ser detectados por un instrumental médico adecuado.

De esta forma, en tiempo real, es posible ver una imagen de la masa encefálica del cerebro y así  identificar, localizar y cuantificar el consumo de glucosa por las diferentes células de esa zona del organismo. El PET es actualmente un instrumento que, combinado con el TAC, es de capital importancia para el diagnostico del cáncer, especialmente en el sistema nervioso central.

Antimateria

 

En 1932, Carl Anderson, en el Caltech, descubrió el anti-electrón. Se le llamó positrón.

En 1955, en la Universidad de Berkeley, se descubrió el antiprotón.

En 1965, fue la primera vez que se pudo hablar propiamente de antimateria, es decir, de "materia" compuesta por antipartículas. En el Acelerador Protón Sincrotón del CERN, un equipo de investigadores consiguió crear un antideuterón, una antipartícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón.

En 1995, el CERN anunció la creación de nueve átomos de antihidrógeno.

En 2002, dos experimentos (ATHENA y ATRAP) consiguieron generar algunos miles de átomos de antihidrógeno. Aunque esto pueda parecer mucho, realmente unos miles de átomos es muy poquito. Para llenar un globo de cumpleaños con antihidrógeno se necesitarían 10.000.000.000.000.000 veces más.

Positron

Un antiátomo

Si un kilogramo de materia entrase en contacto con un kilogramo de antimateria, se produciría una energía superior a 179.000 billones de Julios.

Por tal motivo, cuando los aceleradores del CERN y otros centros de altas energías producen antipartículas,  tienen que almacenarla en tubos cilíndricos llenos de vacío con campos magnéticos, para que no entre en contacto con la materia del tubo, y no se produzca una explosión.

Producir antipartículas es relativamente más "fácil" que producir antiátomos. De hecho ocurre habitualmente en la naturaleza, en un tipo de desintegración radioactiva denominada “desintegración beta”. También se producen antipartículas cuando los rayos cósmicos de alta energía llegan a la atmósfera y al interaccionar con ella producen cascadas de partículas y de antipartículas.

Pero producir antiátomos es mucho muy difícil, y muchísimo más difícil, almacenarlos. Generar estructuras más complejas, como una mesa de antimateria, actualmente es imposible y de momento no conocemos ninguna forma para poder hacerlo en el futuro.

Atomos

En la Universidad Técnica de Munich, un equipo de investigadores japoneses informó de la creación de un átomo compuesto de materia y antimateria llamado helio antiprotónico. Este átomo constaba de dos protones, dos neutrones, un electrón y un antiprotón. El átomo sobrevivió 15 millonésimas de segundo.

Las teorías científicas más aceptadas afirman que en el origen del Universo existían materia y antimateria, en iguales proporciones.

Estas mismas teorías establecen que la materia y la antimateria se fueron aniquilando mutuamente, quedando como resultado energía pura.

Sin embargo, el Universo que observamos está compuesto únicamente por materia. Se desconocen los motivos por los que no se ha encontrado antimateria en el universo. Se barajan tres posibilidades para explicar por qué la cantidad de materia superó a la de antimateria:

Antimateria

 

Primera hipótesis: las investigaciones de tres científicos japoneses (Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa) confirmaron la teoría de que por cada 10.000 millones de partículas de materia que surgió en el Big Bang, se produjeron 10.000 millones menos 1 partícula de antimateria. Esta diferencia de 1 a 10.000 millones fue la causa de que la balanza se inclinara a favor del cosmos en vez de a la nada.

Si no hubiera sido así, si en el momento del Big Bang hubiera habido igual número de partículas de materia y de antimateria, todo habría quedado reducido a una gigantesca producción de rayos gamma y de fotones, hoy no habría estrellas ni galaxias ni nebulosas y nosotros no existiríamos para estar pensando en estas cosas.

Las investigaciones de estos tres científicos empezaron en el año 1960, cuando Yoichiro Nambu (Tokio, 1921) profesor en la Universidad de Chicago, formuló por primera vez la teoría de la ruptura espontánea de la simetría. Esta ruptura de la simetría implicaba a su vez la existencia de seis tipos de quarks. Estas hipótesis, que no pasaban de ser una teoría, se vieron confirmadas en el año 2001, con los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas de Stanford en USA y de Tsukuba en Japón.

Yoishiro Nambu

El profesor Yoichiro Nambu

 

Segunda hipótesis, sugerida en 1967 por el físico ruso Andréi Sájarov, postula que las partículas y las antipartículas no tienen propiedades simétricas exactamente iguales.

Recientes experimentos en el acelerador KEK de Japón, sugieren que esto quizás sea cierto, y que no fue necesario ese pequeñísimo exceso de materia en el Big Bang, porque simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria.

Una tercera hipótesis plantea que puede haber regiones del Universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir a largas distancias entre materia y antimateria.

La NASA ha enviado una sonda al espacio para buscar rastros de antimateria, que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el Universo. Sin embargo, hasta ahora, los experimentos no han detectado nada.

Sajarov

Andréi Sàjarov

¿Por qué resulta tan difícil almacenar la antimateria?
Cuando las antipartículas o los antiátomos tocan la materia habitual se aniquilan emitiendo energía. Por tanto, almacenar antimateria es muy difícil. Para hacerlo es necesario almacenar las antipartículas generadas en "trampas electromagnéticas".
Las antipartículas neutras y los antiátomos son aun mucho más difíciles de almacenar, ya que es imposible usar campos eléctricos y magnéticos para confinarlos, porque básicamente no les afectan. Se han planteado ideas como el uso de "trampas ópticas", mediante el empleo de rayos láser.

ENLACES INTERESANTES

VIDEO de 3 minutos acerca de la antimateria producido por National Geographics, explica que la antimateria se produce cuando hay choque de partículas a ultra altas velocidades. Muestra cómo se genera antimateria en los aceleradores de partículas, así como el  poder explosivo y destructivo de la antimateria.

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