domingo, 4 de enero de 2015

Nueve átomos de antihidrógeno

En la naturaleza cada una de las partículas subatómicas conocidas tiene una antipartícula asociada que posee exactamente las propiedades opuestas. Así por ejemplo, los electrones cargados negativamente, tienen antielectrones denominados positrones cargados positivamente. Es lógico también pensar que en el Universo puedan existir antiprotones y antineutrones, que podrían formar un antinucleo. Estos a su vez, podrían combinarse con positrones, para hacer un antiátomo


La primera mención de la existencia de la antimateria viene de la década de los años 20, cuando el físico Pual Dirac estaba tratando de encontrar una conexión entre las nuevas ideas de la física de ese entonces (la teoría especial de la relatividad de Einstein) y las de física cuántica. La teoría de la relatividad describe lo que sucede cuando objetos viajan a velocidades cercanas a la de la luz. La física cuántica se preocupa, en cambio, de cómo se comportan las partículas en una muy pequeña escala. Antes del año 1925, estas dos teorías se desarrollaron casi independientemente. Pero sin embargo, ambas se necesitaban mutuamente para describir el movimiento de un electrón dentro de un átomo, ya que los electrones se pueden mover a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.

De este modo Dirac se manejó para combinar las teorías y elaboró una teoría cuántica relativista del electrón, conocida como "Ecuación Dirac". En esta ecuación se sugirió que debería existir una partícula con la misma masa del electrón, pero con carga opuesta. Así fue como predijo en el año 1931, la existencia de un antielectrón, también conocido como "positrón". Dirac también se dio cuenta que si un positrón se encontraba con un electrón, ambos desaparecerían en un flash de rayos gama. Este proceso se llama "aniquilación".

Más tarde, en el año 1932, el físico americano Carl Anderson, confirmó la existencia del teórico positrón. El detectó la presencia de una antipartícula que se producía cuando una partícula de alta energía del espacio, llamada "rayo cósmico", chocaba con moléculas de la atmósfera creando chorros de partículas subatómicas.

En nuestro universo hay algunas cosas notables que todavía no nos cuadran. Una de ellas es este hecho sencillo: si la materia se forma siempre en pares partícula-antipartícula, si a cada partícula de este universo le corresponde una antipartícula… entonces, ¿dónde está toda la antimateria? Si durante el Big Bang se hubiera formado tanta materia como antimateria, ambas se habrían aniquilado entre sí y el cosmos no existiría ahora mismo.

Para empezar, ¿cómo sabemos que el universo es esencialmente material y no antimaterial? Bueno, pues porque todas las interacciones que conocemos hasta el momento sugieren un predominio radical de la materia. Cuando mandamos naves a otros planetas, no se aniquilan. En los rayos cósmicos que llegan a la Tierra, procedentes del Sol y del resto de la galaxia, hay diez mil veces más protones que antiprotones. Tampoco estamos detectando la energía de aniquilación que debería producirse en las regiones de transición entre galaxias de materia y galaxias de antimateria, si estas últimas existieran. La cantidad de antimateria en el cosmos parece ser extraordinariamente baja, y existe sólo cuando se forma a partir de procesos de la materia.

Aparentemente, la inmensa mayor parte del universo se aniquiló a sí misma durante el Big Bang. Se ha estimado que durante el origen de todo se formaron treinta millones de antiquarks por cada treinta millones y un quarks (En física de partículas, los quarks, son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas subatómicas tales como protones y neutrones.). Tras la aniquilación, esa diferencia de un quark por cada treinta millones formó el cosmos presente.

Actualmente los físicos saben que toda la familia de partículas tiene un socio antimateria. Hay un antiprotón que puede aniquilar el protón, como hay un antineutrón que puede aniquilar al neutrón, y así sucesivamente. Todos los pares tienen la misma masa, pero el signo de su "número cuántico" es opuesto.

Uno de los aceleradores de partículas más poderosos que existen, es el "Large Electron Positrion collider" (LEP) del CERN, el Centro Europeo para partículas físicas, que está cerca de Ginebra. El LEP acelera partículas, electrones y positrones, dentro de un gran anillo subterráneo de 27 kilómetros. Cada electrón y positron, recorre a una velocidad de 11.000 circuitos del anillo en cada segundo. Cuando chocan y se aniquilan, toda la energía incidente puede ir a la creación de nuevas partículas, como "muon", una especie de electrón pesado. También existen en otros países varios coalicionadores de protones-antiprotones, tales como el "Tevatron" del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), cerca de Chicago.

Las cosas han ido más allá y los investigadores han sido capaces de crear antiátomos. Los físicos de CERN tuvieron éxito creando unos pocos átomos de antihidrógeno, tal como fue anunciado el el 4 de enero de 1996 . Ahora esperan producir y capturar cientos de miles de átomos de antihidrógeno, de modo de poder desarrollar con ellos diferentes experimentos. Así por ejemplo, piensan poder estudiar el espectro del antihidrógeno (la secuencia de distintas frecuencias de luz absorbida o emitida por un átomo). La teoría dice que éste debería ser igual al del hidrógeno.

Luego vendrán los antihelios, y así sucesivamente hasta completar una anti-tabla periódica con todos los elementos que ella contiene. Así los físicos tienen ya una tarea diseñada para que en el nuevo milenio se pueda entrar al mundo de la antiquímica.

La materia podría ser convertida enteramente en energía combinándola con antimateria, con signos opuestos de carga y de números cuánticos. Es decir, disponiendo de antimateria podríamos alimentar esta central generadora. Para ello necesitaríamos materia y antimateria del mismo tipo, aniquilando éstas en forma controlada (tal vez con alguna forma de absorber los rayos gamma para calentar agua de los turbogeneradores se produciría la energía). 

El problema es cómo disponer de esa antimateria. Producirla aquí en la Tierra, podría tomar tanta o más energía que la que de su uso se desprendería. Alrededor nuestro, el Universo está constituido por 100% de materia, de modo que soñar con establecer estaciones generadoras de antimateria se ve como irrealizable.

Potencialmente podría resolver las necesidades de la energía ilimitada. Muchos científicos especulan que la antimateria puede ser la llave para proveer energía capaz de manejar máquinas que aún ni siquiera se podrían llegar a imaginar. Eventualmente esto podría llegar a ser parte de los engranajes que sean capaces de generar nuevos motores que lleven al hombre al espacio al borde de la velocidad de la luz. Aunque no están claros los efectos que podría causar el mantener una energía como ésta, para algunos científicos, es una de las opciones menos viables ya que propone que un accidente que implicara una importante cantidad de antimateria almacenada tendría la capacidad de causar tal explosión capaz de destruir al mundo. Pero con o sin miedo, los científicos aún están tratando de comprender cómo funciona la antimateria. 

Nave especial propulsada mediante la aniquilación de antimateria. Foto: NASA
Cuando la antimateria entra en contacto con la materia se produce una reacción violenta, denominada aniquilación, que desprende mucha energía, fotones gamma (inútiles para la propulsión) y piones (partículas subatómicas de corta vida). Los piones se mueven a velocidad relativista, así que podrían ser utilizados directamente como propulsión.

La idea es mantener una cantidad respetable de antihidrógeno aislada del resto mediante carga eléctrica en un contenedor especial, tomar una pequeña fracción y hacerla entrar en contacto con una cantidad equivalente de hidrógeno ordinario en la cámara de reacción. Una tobera magnética se encargaría de dirigir los piones resultantes de la reacción en la dirección adecuada.

El proceso se repetiría en un empuje pulsado hasta agotar el combustible. Desafortunadamente no sabemos cómo producir antimateria en grandes cantidades ni de forma económica. Los antiprotones del antihidrógeno, por ejemplo, hay que producirlos a partir de energía pura. Hasta ahora sólo se han podido producir unos pocos miles de átomos de antimateria a un precio desorbitado.

Si en el futuro podiéramos producir grandes cantidades de antimateria las estrellas estarían al alcance de la mano.

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