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ANTIMATERIA
En un depósito de Ginebra se guarda una diminuta y terrible masa - si es que se pueden llamar así a estas partículas - cuya fuerza explosiva es cien veces más potente que la del uranio o la del plutonio. Se utiliza para realizar experimentos que aclaren el misterio del origen del Universo, entro otros muchos, y se llama Antimateria
Hasta ahora no es peligrosa, pues se emplea en cantidades insignificantes. Pero si hubiera grandes cantidades de antimateria, la humanidad contaría con una fuente energética inimaginable.
Pero, ¿qué es la antimateria?
La idea de que pudiera existir algo así surgió a finales de los años veinte; su padre fue el físico Paul Dirac. Entonces, ya se conocía desde hacía tiempo la teoría de la relatividad de Einstein, que enseñaba que la materia y la energía son intercambiables, es decir, que se pueden transformar una en otra.
Paul Dirac
Dirac empezó a investigar las partículas del átomo, entre ellas los electrones, a la luz de la teoría de la relatividad y de la mecánica cuántica. Su objetivo era reducir ambas a un común denominador, y desarrolló fórmulas y ecuaciones matemáticas que servían para ambas cosas.
Trabajando con una de estas ecuaciones, Dirac descubrió algo anómalo: la ecuación no describía sólo el comportamiento de los electrones, tal como se esperaba, sino que también permitía obtener soluciones que no se acomodaban a ninguno de los resultados de la física vigente.
Después de un año de cavilaciones, el físico dijo que había dado con el quid de la cuestión. Las partículas que estaba tratando no eran normales electrones, sino una clase de de partículas totalmente nuevas, su masa era exactamente la de un electrón normal, pero su carga eléctrica era opuesta. Si el electrón tiene carga negativa, la nueva partícula la tenía positiva. Era como la imagen reflejada e inversa del electrón, el "antielectrón".
Poco tiempo después, el físico norteamericano Carl Anderson, cuando experimentaba con radiación cósmica, demostró que los "antielectrones" existían, efectivamente. En adelante, estas partículas se llamarían positrones.Entretanto, también se descubrió que no sólo los electrones sino todas las partículas tenían antagonistas, sus antipartículas correspondientes.
Así pues, hay también antiprotones, antineutrones, etc. Todas esas partículas son antimateria. Hoy ya se pueden fabricar antipartículas en el laboratorio, en condiciones controladas. Por ejemplo, en el CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear), cerca de Ginebra, se producen antiprotones, que se conservan en campos magnéticos para experimentar con ellos.
Pero, ¿pueden los antiprotones, antineutrones y los positrones formar átomos? No sólo es posible esto sino también es posible que existan antiestrellas, antiplanetas y antihombres, explicaba Dirac en su discurso, el día que recibió el Premio Nobel de 1933.
Para el físico era una mera casualidad que la Tierra haya sido formada de materia y no de antimateria, y es "absolutamente posible que ocurra exactamente lo contrario con algunos cuerpos celestes". Para hacer esta atrevida afirmación, Dirac se basaba en que, en la naturaleza, existe una profunda simetría que parece básica en todos los campos.
Para que pueda formarse un positrón se debe concentrar una cantidad de energía en un solo punto. Si las condiciones son adecuadas, aparece no una partícula sino un par de partículas. Ambas se forman directamente de la energía. Una de ellas es siempre un positrón y la otra es siempre un electrón. Las partículas y antipartículas se forman siempre por parejas, una equilibra a la otra.
Lo mismo puede aplicarse a otras partículas elementales. También es posible el proceso inverso, si un positrón choca con un electrón, la consecuencia es su aniquilación mutua. Ambas partículas se esfuman literalmente, y sus masas combinadas se liberan como energía, en forma de radiacón gamma. Es evidente la simetría, el hecho de que con energía se pueda hacer masa va unido a una de las grandes esperanzas de la ciencia: que un día podamos aclarar el origen del Universo.
En tiempos pasados, los astrónomos creían simplemente en que el Universo había sido creado partiendo de una reserva básica de masa existente desde el principio. Hoy se tiene una explicación más satisfactoria: se supone que, al principio, el Universo carecía de masa, y que la masa que vemos ahora se ha ido formando poco a poco, a través de procesos físicos. No hace falta mucha fantasía para imaginarse que, inmediatamente después de la gran explosión del Big Bang, existió energía más que suficiente para producir la masa.
Si seguimos con este razonamiento, llegamos a una conclusión muy importante: si se crea siempre la misma cantidad de antimateria, al formarse materia partiendo de la energía, se pueden aceptar también, inevitablemente, que el Universo debe estar compuesto de materia y de antimateria, a partes iguales.
Esta conclusión proporcionó también a Dirac la base para su especulación sobre las antiestrellas. ¿Puede esto ser así? La simetría entre materia y antimateria confirma una cosa: una antiestrella o una antigalaxia tendría exactamente el mismo aspecto que una estrella o una galaxia de manera normal. Considerándolas superficialmente, tanto la estrella Sirio como la nebulosa Andrómeda podrían constar lo mismo de antimateria que de sustancia normal. Sin embargo, en la realidad las cosas no son tan sencilas.
A partir de los años sesenta, los cosmólogos llegaron a comprender mejor los acontencimientos del Big Bang. Una fuerte contradicción con la teoría del Universo simétrico se puso de manifesto. De repente, los científicos dispusieron de suficientes pruebas de que la fase inicial del Universo se caracterizó por un calor colosal y por una soprendente uniformidad. En medio de este calor, pudieron aparecer parejas de partículas, antipartículas en grandes cantidades; pero se mezclaron, a continuación, todas ellas entre sí, formando una sopa homogénea.
Mientras el Universo se dilataba y enfriaba a gran velocidad, sólo existió un posible destino para las parejas de partículas: la mutua destrucción. Los positrones chocaron con los electrones, los protones con los antiprotones y antineutrones con los neutrones. El resultado fue, en todos los casos, la explosión destructiva. En tal circunstancia, no podía sobrevivir mucha materia y, al final, el Universo no habría estado lleno de átomos, sino de rayos gamma.
Tan pronto como los investigadores vieron esto, iniciaron la búsqueda de un mecanismo en la naturaleza que pudiera conducir a separar materia y antimateria, al menos parcialmente, y evitase la orgía de destrucción; algo que las distanciara para que existieran zonas sólo de materia zonas sólo de antimateria. Su contenido debía ser, al menos, similar al de la Vía Láctea. Como las galaxias están bastante aisladas en el Universo, se dispondría así de un modelo en el que materia y antiamateria exisitirían pacíficamente una junto a otra.
Pero la búsqueda del mecanismo separador no dio resultado. Mientras tanto, se lanzaron los primeros telescopios astronómicos de rayos gamma, a bordo de satélites, y no tardaron en descubrir que en el Universo hay muy pocos rayos de este tipo. Entonces los teóricos calcularon cuánta antimateria podría haber en nuestra Vía Láctea que no hubiera sido descubierta aún.
Partieron del hecho de que también en el Universo chocan ocasionalmente objetos, y de que no existe espacio vacío sino enormes cantidades de partículas de gas y polvo finas y repartidas. Por tanto, aunque sólo una parte de nuestra galaxia estuviera compuesta por antimateria, habría un constante centelleo de radiaciones gamma. Los resultados obtenidos hasta hoy (1988) descartan que la Vía Láctea pueda contener más de una millonésima de su masa total de antimateria.
Algo similar ocurre en las restantes galaxias; cuando éstas chocan entre sí se ve que están compuestas de materia normal y no de antimateria. Si existe una simetría entre materia y antimateria, deberá aparecer en un campo espacial que sea mayor que el Universo que nosostros conocemos. En éste Universo, la antimateria es en todo caso una rareza.
Pero, ¿existen en alguna parte grandes cantidades de antimateria? Por medio de globos enviados a las capas más altas de la atmósfera se vio que la Tierra está expuesta a un bombardeo constante de antiprotones que llegan del Universo y que forman parte de la radiación cósmica general. Pero éstos antiprotonoes no son indicio de que existan antiestrellas.
El motivo es que los antiprotones, como ocurre en el CERN, se pueden formar a partir de partículas corrientes, si se producen choques de gran energía, y como los rayos cósmicos son ricos en ella, deben producir lógicamente antiprotones al atravesar el gas interestelar. Si se quiere determinar el contenido de antimateria que hay en el Universo, hay que buscar núcleos de antihelio.
Después del hidrógeno, el helio es la sustancia más frecuente en el espacio. Un sólo núcleo de antihelio sería un indicio importante de la existencia de antiestrellas; el núcleo de antihelio consta de dos antiprotones y dos antineutrones, estructura que no se puede formar casualmente.
Un guistate de antimateria originaría, al chocar contra la Tierra, una explosión de tanta potencia como una pequeña bomba atómica. ¿Fue esto lo que ocurrió en la región siberiana de Tunguska, de cuya destrucción tanto se ha lucubrado? ¿Fue esta la causa de de la desaparición de los dinosaurios o de los periódicos cataclismos que azotan a la Tierra cada varios millones de años?
Sin embargo, se tiene ya un indicio de que no se produzca tal explosión, si penetra antimateria en la atmósfera. Los británicos Ashby y Whitehead afirman que en la atmósfera están entrando constantemente partículas microscópicas procedentes del espacio: si son lo bastante pequeñas, pueden escapar de la destrucción, pues las moléculas de la atmósfera forman uniones químicas con los átomos de antimateria. Entonces, podría ocurrir que esas fuerzas de atracción que se dan entre átomos normales actúen como repelentes entre los átomos y los antiátomos, formando una especie de escudo protector alrededor de la antimateria.
Añaden también los investigadores Ashby y Witehead que las antipartículas deberían estar cargadas eléctricamente por ionización y, por tanto, expuestas a los campos eléctricos de la atmósfera (por ejemplo, los que forman en las tormentas) y conducidas a la Tierra. Según los científicos, son las tormentas las que prenden la mecha de la destrucción de las antipartículas.
La energía así liberada tiene el aspecto de una bola de plasma incandescente, según los científicos. Su vida es de pocos segundos, de pocos minutos, si la destrucción es lenta. Pero también nos podemos imaginar un vivo estampido con el que desaparece repentinamente la bola.
Efectivamente, hay muchos campos que describen bolas de plasma incandescente, bolas que aparecen en una tormenta y desaparecen repentinamente con un fuerte estampido. Éste fenómeno se llama "rayo globular", y resulta un misterio para los científicos, desde hace muchos años. Sin embargo, nadie ha podido reproducirlo en el laboratorio. Es posible que, en el futuro, se pueda comprobar su relación con la antimateria.
En resumen, sabemos muy poco sobre la antimateria, aunque ya la podamos "fabricar" en la Tierra. Los antiprotones individuales se pueden conservar ya en estado de suspensión mediante campos eléctricos y magnéticos. Seguramente, sería más práctico trasladar al espacio la producción de antimateria: allí existe el necesario vacío y la gravedad tampoco produce problemas.
¿Para qué fabricarla? Porque es incomparable, cuando se trata de almacenar ingentes cantidades de energía un peso y volumen ínfimos. Podría servir para accionar vehículos especiales interplanetarios.
Por resultar excesivamente cara de producir, los gobiernos no temen que alguien se atreva a darle usos militares para fabricar armas o bombas. Los experimentos llevados a cabo diariamente arrojan extraordinarios resultados y teorías. Resultaría interesante ver cómo le afectaría la fuerza de la gravedad a las antipartículas, pues se especula que sobre la posibilidad de que la antimateria caiga hacia arriba y no hacia abajo.
Han pasado ya casi 90 años desde que el físico Paul Dirac se puso a discurrir sobre sus ecuaciones, pero la investigación de la antimateria aún está en sus comienzos. El potencial de ésta enigmática sustnacia para lo bueno y para lo malo parece ser, en principio, enorme y espeluznante.
Paul Davis, autor de éste artículo para la revista Muy Interesante, Febrero de 1988
Un Experimento En Desarrollo
La antimateria, aparte de estar de moda en todo el mundo, reporta beneficios millonarios a sus fabricantes, porque con un gramo de esta se puede producir una gran cantidad de energia, lo que genera una gran demanda de esta, pero hay que tener en cuenta que su manipulacion en este momento es muy peligrosa por la falta de estabilidad que la caracteriza, es conveniente tomar medidas para no lamentar los daños. Por fortuna para la humanidad y por desgracia para la industria energetica, la antimateria escasea mucho en el mundo natural y su almacenamiento es muy complicado tiene que ser muy especial porque la antimateria al estar en contacto con la materia se aniquilan con gran violencia por lo tanto no cualquier trampa le daria el grado de estabilidad necesario.
El principal objetivo de este experimento es estudiar detenidamente las propiedades de los antiatomos para esto debemos mantenerlos en una trampa atomica, es decir hay que frenarlos y enfriarlos a menos de 0.5 kelvin, pues estos llegan del acelerador de particulas con gran velocidad.
¿Como podemos lograr esto?
Hipotesis 1:
Una posible forma de contencion de antimateria es generando un campo electromagnetico. El campo electromagnetico nos permitira manejar la trayectoria, la direccion y ademas nos garantiza que las antiparticulas permanezcan dentro de su pista circular. El campo magnetico controla pero no cambia la energia de las particulas es necesaria la presencia del campo electrico, que es proporcionado por fuentes de voltaje que producen corrientes electricas.
Hipotesis 2:
Es necesario que la antimateria se encuentre a temperaturas muy bajas,asi como tambien no este en contacto con ninguna particula de materia por esta razon es necesario una camara al vacio, la cual debe ser optima y tiene que contar con varias bombas succionadoras de aire, con un campo superconductor alrededor de esta permitira a medida que bajamos la temperatura que las oscilaciones de los atomos disminuyan y la resistencia al movimiento tambien; y por debajo de una temperatura critica propia del material(Tc) los electrones ya no chocan con los atomos que forman la red y se mueven libremente por el, es decir ya no hay ninguna resistencia al paso.
Hipotesis 3:
La trampa consistiria en una camara al vacio, en la cual se encontrarian, bombas succionadoras de aire, para generar un optimo vacio, ademas seria necesario imanes o bobinas que generaran el campo magnetico que permitan a las particulas permanecer dentro de su pista circular, y tambien un campo electrico, el cual regulara el cambio de energia de las antiparticulas por medio de un conjunto de laser que genera tambn la desaceleracion de las particulas, caracteristicas necesarias para la optima contencion de la antimateria.
Experimento BaBar
Los físicos que llevan adelante el experimento Babar en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC), un laboratorio del Departamento de Energía de EEUU que opera en la Universidad de Stanford, anunciaron hoy excitantes nuevos resultados que demuestran que hay una diferencia dramática entre el comportamiento de la materia y la antimateria. Sus conclusiones fueron presentadas a la revista Physical Review Letters para su publicación online.El acelerador PEP-II del SLAC hace impactar electrones y su equivalente de antimateria, los positrones, para producir abundantes pares de partículas y antipartículas pesadas exóticas conocidas como mesones B y anti-B. Esas raras formas de materia tienen corta vida, luego de la cual se desintegran para producir otras partículas subatómicas más livianas, como kaones y piones, que son observados en el experimento BaBar."Si no hubiese diferencia entre materia y antimateria, tanto el mesón B como el mesón anti-B deberían exhibir exactamente la misma figura de desintegración. Sin embargo, nuestras nuevas mediciones muestran, en cambio, un ejemplo de una gran diferencia en los ritmos de desintegración", dijo el vocero de BaBar Marcello Giorgi, un físico del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) de la Universidad de Pisa, Italia.Buscando entre las desintegraciones de más de 200 millones de pares de mesones B y anti-B, los científicos que llevan adelante el experimento BaBar han descubierto impactantes asimetrías materia-antimateria. "Encontramos 910 mesones B desintegrándose en un kaón y un pión, pero sólo 696 mesones anti-B", explicó Giorgi.Aunque en BaBar y en otros experimentos se habían observado ya asimetrías materia-antimateria, este es el primer caso de desintegraciones B que muestra diferencia con sólo contar la cantidad de desintegraciones de materia y antimateria, un fenómeno conocido como violación directa de paridad de carga (CP)."Hemos observado señales claras y fuertes de un comportamiento asimétrico de la materia y la antimateria resultante de un mecanismo de violación directa de CP", dijo James Olsen de la Universidad de Princeton, uno de los directores del análisis.La nueva diferencia de un 13 por ciento de preferencia del mesón B sobre el mesón anti-B empequeñece un efecto similar observado en los kaones de sólo una pequeña incidencia de 4 partes por millón. "El efecto que hemos medido con los mesones B es alrededor de 100.000 veces mayor que para los kaones", dijo Olsen. "La imagen de diferentes tipos de asimetrías materia-antimateria comienza a convertirse en una figura coherente".Cuando el universo comenzó con el big bang, la materia y la antimateria estaban presentes en cantidades iguales. Pero todas las observaciones indican que vivimos en un universo formado solamente de materia. ¿Qué pasó con la antimateria?Las responsables por el desbalance materia-antimateria que se produjo en nuestro universo deben ser unas tenues diferencias entre el comportamiento de la materia y la antimateria. Pero nuestro conocimiento de esas diferencias es incompleto e insuficiente, y no justifica el dominio que se observa de la materia. La violación CP es una de las tres condiciones que fueron delineadas por el físico ruso Andrei Sakharov para justificar el desbalance de materia-antimateria que se observa en el universo."Este es otro gran logro científico de la factoría B del SLAC", dijo Raymond L. Orbach, Director de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. "El nuevo resultado del BaBar, y las mediciones que se han dado a conocer de otros aceleradores en el mundo, continúan mejorando nuestra comprensión de la violación CP y finalmente podremos saber por qué el universo visible es sólo de materia".En el BaBar trabajan unos 600 científicos e ingenieros de 75 instituciones de Canadá, China, Francia, Alemania, Italia, Holanda, Noruega, Rusia, el Reino Unido y los Estados Unidos. El SLAC es financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EEUU.
Fin
