Antimateria: Lo que no se vio en "Ángeles y Demonios"

Las luces de la sala se apagaron y el silencio del público permitió escuchar una banda sonora imponente. Luego, las imágenes de religiosos en el Vaticano, realizando el rito posterior a la muerte de un Papa. En seguida, el otro fundamento de la trama de la película: Una recreación del Large Hadron Collider (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear o CERN en el momento de la creación de la antimateria, mencionada como la partícula de Dios. Así comienza la película de Ángeles y Demonios, basada en el libro homónimo de Dan Brown, cuya intriga gira en torno al robo de lo que podría ser la mayor arma jamás construida por el hombre: La antimateria. Y es este término el que se ha venido escuchando con mayor frecuencia en series televisivas y noticias sobre experimentos y teorías de físicos y astrónomos, por lo que se revisara a continuación los datos relevantes en torno a la antimateria.

Historia

Antes del año de 1900, los físicos de todo el mundo podían apostar que en pocos años se llegarían a conocer todas las leyes que regían la naturaleza. Sin embargo, el final de la llamada Física Clásica estaba por llegar. Esa vieja Física pensaba que llegaría el momento que sabiendo por completo una situación en el presente, se podría saber el futuro con tan sólo utilizar un par de ecuaciones y fórmulas básicas. Era como saber donde se encuentran los engranajes de un reloj y en torno al uso de matemáticas saber donde se localizarían exactamente el día de mañana. Pero todo cambió.

Y el cambio llegó con Max Planck, en diciembre de 1900 durante una sesión de la Sociedad Física de la Academia de Ciencias de Berlín. Allí propuso que la radiación se transmitía a través de pequeños paquetes de energía, los llamados cuantos, lo cual permitía explicar diferentes fenómenos físicos que hasta ese entonces escapaban al esclarecimiento por parte de los científicos de aquel entonces. Nacía así la Física o Mecánica Cuántica, un área del conocimiento que se ocuparía de desentrañar los secretos encerrados dentro del átomo y de mostrar al hombre lo absurdo que podía ser la naturaleza niveles demasiado pequeños, lo suficiente diminuto como para que sus efectos poco lógicos sean inadvertidos en nuestro mundo cotidiano.

Aunque considerada como una medida desesperada para explicar algunos fenómenos físicos, la idea de Max Planck sobre los cuantos vendría a prosperar más con otro gran personaje: Albert Einstein. El año de 1905 se considera como el Annus Mirabilis de este físico, el segundo Año Milagroso en la historia (el primero fue en 1666, con sir Isaac Newton y sus revelaciones que cambiaron el mundo). En ese año, Einstein publicó 5 artículos en los Annalen der Physik que cambiarían la forma de ver el mundo y el Universo: Estableció los conceptos de la teoría de la relatividad especial, la equivalencia masa-energía (con la bien conocida ecuación E = mc2) y explicó el fenómeno fotoeléctrico. Con este último trabajo, Einstein obtuvo el premio Nobel en 1921, y sería el trabajo con el cual dicho genio demostraba que la luz tenía un comportamiento similar a pequeños paquetes, los denominados fotones. En torno a esos años, hombres como J. J. Thomson, Robert Millikan, Ernst Rutherford y Niels Bohr, irían desentrañando una estructura básica del átomo. Pronto encontrando que ésta partícula básica de la materia estaba constituida por electrones girando en torno a un núcleo compuesto por protones y neutrones. Los electrones poseen una carga eléctrica negativa, los protones una carga positiva y los neutrones una carga neutra.

En 1928, el físico francés Paul Dirac combinó las ecuaciones de la mecánica cuántica y las de la relatividad especial de Einstein, con el fin de lograr una mejor descripción del comportamiento del electrón a velocidades relativistas (cercanas a la velocidad de la luz). Su trabajo reveló que existían dos soluciones a sus ecuaciones, una específica del electrón y otra para una partícula similar al electrón, pero de carga positiva. Inicialmente Dirac creyó que se trataba del protón, la partícula subatómica contenida en el núcleo con carga positiva descrita inicialmente por Rutherford en 1919. Sin embargo, el protón tiene una masa que es 1,836 veces la del electrón, por lo que esto no dejaba a Dirac completamente tranquilo. En 1931, Dirac expuso que esta nueva partícula no era el protón y que se trataba de una nueva partícula aún no descubierta, a la cual puso el nombre de anti-electrón. El nombre sería cambiado positrón. A sólo cuatro años de la primera especulación sobre la existencia del positrón, esta partícula subatómica fue detectada en los rayos cósmicos. En estos rayos, los fotones originan un par electrón-positrón, para que en una diezmillonésima de segundo sean aniquilados produciendo nuevamente un fotón. En ese entonces, nacía la física de las antipartículas, la física de la antimateria.

En 1930 se postuló la existencia de la antipartícula del protón, el llamado antiprotón. Fue hasta el año de 1955 en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California cuando fue descubierta esta nueva partícula subatómica. Su masa es igual a la del protón, pero la eléctrica carga es la opuesta, es decir, negativa. Poco tiempo después de obtener el antiprotón se obtuvo el anti-neutrón. Esta última partícula posee la misma masa y spin, con un momento magnético igual en magnitud, pero opuesto al del neutrón.

El deuterio es un isótopo del hidrógeno compuesto por un protón y un neutrón, y en el año de 1965 en el CERN se logró crear antideuterones, las antipartículas del deuterio (compuesto por un antiprotón y un antineutrón). En 1995, el CERN fue el primer laboratorio en crear 9 antiátomos de antihidrógeno en forma artificial. Sin embargo, al crear antimateria también se crea materia («ordinaria»), produciéndose la aniquilación casi inmediata de ambas materias. Su estudio es importante, debido a que dicho fenómeno pudo haberse presentado en el nacimiento del Universo, en el Big Bang, con la producción de materia y antimateria en «casi» iguales cantidades. Y se dice «casi» iguales cantidades, debido a que la aniquilación de los pares de elementos materia-antimateria no fueron equilibrados, ya que actualmente tenemos un Universo compuesto de materia. Se especula que hubo cierto desequilibrio a favor de la materia, logrando acumular una mayor cantidad de la misma para la creación del Universo tal como lo conocemos actualmente. O tal vez exista la anti-materia, sólo que en otras regiones del Universo. Se trata pues, de un misterio cuya resolución está pendiente de realizarse.

La antimateria

Se debe mencionar que es muy difícil almacenar la antimateria. Cualquier contacto de la antimateria con la materia produce a la inmediata aniquilación de las partículas: La masa de ambas «materias» se convierte en energía pura. Por lo tanto, para aislar una antipartícula, se debe aislar de cualquier otra partícula, incluidas las presentes en el aire. Hasta nuestros días, es factible contener antimateria cargada eléctricamente (p. ej. antiprotones o positrones) usando trampas magnéticas. Estas trampas mantienen a las antipartículas flotando en un campo magnético, en completo vacío, para evitar su aniquilación por el contacto con partículas ordinarias. Las trampas magnéticas del CERN son capaces de contener aproximadamente unas 10^12 antipartículas de la misma carga. El problema viene cuando se almacena una gran cantidad de partículas de la misma carga, debido a que entre estas existe una repulsión (cargas iguales se repelen), lo que obliga a utilizar una mayor energía para mantener el campo magnético que las contiene. Por lo tanto, no es posible almacenar una gran cantidad de antimateria debido a esta limitación. Un problema mayor se presenta al tratar de almacenar antipartículas eléctricamente neutras, como los antineutrones o como antiátomos. En esta circunstancia es imposible utilizar campos magnéticos para contener antimateria neutral debido a que no poseen efectos sobre este tipo de antimateria neutral. Actualmente se están desarrollando trampas magnéticas (trampas que actúen en el momento magnético) y trampas ópticas (utilizando láseres) para poder contener este tipo de antimateria.

Aunque la antimateria puede usarse con fines destructivos, esto resulta sumamente difícil. Por un lado, no hay forma que la antimateria pueda ser creada en cantidades suficientes como para usarse como una bomba. Por otro lado, las trampas que contienen la antimateria son enormes y entre más antimateria contengan, requieren una mayor cantidad de energía para funcionar.

Aunque la energía liberada por la aniquilación de los pares materia-antimateria tiene una eficacia del 100%, no puede utilizarse como fuente de energía. Esto se debe a que la antimateria no existe en la naturaleza, sino que debe ser creada, lo que en sí exige una gran cantidad de energía. Además debe agregarse el coste energético acarreado por el simple almacenamiento de la antimateria, lo que la hace inviable como fuente de energía. Para darnos una idea, solo un 0.000,000,01% de la energía invertida para crear la antimateria puede regresar a nosotros. Visto de otra forma, si se pudiera reunir toda la antimateria creada en el CERN (algo así como 10 nanogramos en total, es decir, 0.000,000,001 gramos) y se aniquilara con materia, solo se podría obtener suficiente energía para mantener encendida una bombilla eléctrica de 60 vatios por unas cuatro horas. Aun si el CERN fuera usado sólo para crear antimateria, este podría producir tan solo 0.000,000,001 gramo por año. Por lo tanto, para lograr obtener 1 gramo de antimateria, se requeriría mil millones de años con nuestra tecnología actual.

La antimateria no es algo que abunde en la naturaleza. Por lo tanto, para estudiarla hay que crearla. La fórmula del CERN es la de emplear una enorme cantidad de energía enfocada en un espacio muy pequeño, tras lo cual se crean pares de partículas-antipartículas. Dicho de otra forma, la energía se transforma en masa de materia y antimateria en cantidades iguales. De esta antimateria producida, la mayoría no puede ser atrapada debido a su gran cantidad energía, por lo que se utiliza el llamado Desacelerador de antiprotones, el que disminuye la velocidad de los antiprotones desde el 96% de la velocidad de la luz al 10%, permitiendo «atrapar» una ínfima cantidad de antimateria producida en los experimentos del CERN.

Para producir antimateria se requiere mil millones de veces más energía que la contenida en su masa. Dado que E=mc2, un gramo de antimateria contiene: 0.001 kg x (300, 000,000 m/s)2 = 90,000 GJ (gigajoules) = 90,000,000,000,000 joules. Esto equivale a 25 millones de watts/hora. Para darnos una idea, el consumo promedio mundial de energía por persona al año es de 65 GJ (en India es de 10 GJ, en China de 40 GJ, en Europa de 140 GJ y en EUA de 360 GJ). Un kilotón equivale a 4,184 GJ y las bombas nucleares que se encuentran en rangos de kilotones se denominan como bombas nucleares tácticas. Las bombas nucleares que se encuentran dentro del rango de los megatones (1 megatón es igual a 1,000 kilotones o 4,184,000 GJ) se denominan como bombas nucleares estratégicas. La bomba más grande detonada fue de 50 megatones (la bomba del Zar, de la desaparecida URSS), con una bola de fuego de 4.6 km. Como comparativo, la bomba detonada en Nagasaki (llamada Fat Man) fue de 20 kilotones, una bola de fuego de 0.2 km y un radio de destrucción de 1.6 kilómetros. La bomba nuclear más grande construida por EUA fue la B41, de 15 megatones y una bola de fuego de 2.84 km. Por lo tanto, los 90,000 GJ de 1 gramo de antimateria pueden producir una explosión de 21 kilotones, apenas poco más que la bomba Fat Man, y casi 2,400 veces menos intensa que la bomba jamás construida por el hombre. Fat Man pesaba 4 toneladas y media, comparado con solo 1 gramo de antimateria para producir la mis-ma fuerza de destrucción. Por su parte, la bomba del Zar pesaba 27 toneladas, en tanto que una bomba de antimateria con la misma fuerza de destrucción solo debería pesar 2 kilogramos y medio.

¿La antimateria es la partícula de Dios?

El término de «la partícula de Dios» fue acuñado en 1993 por el físico Leon Lederman en su libro «La partícula de Dios: Si el Universo es la respuesta, ¿Cuál es la pregunta?». En dicho libro, Lederman hace referencia al bosón de Higgs. Esta partícula fue teorizada en 1964 y nunca ha sido observada. Sin embargo, es una pieza perdida dentro del Modelo Estándar, la rama de la física encargada de describir las partículas elementales y sus interacciones. Dentro de este Modelo, se ha sugerido que poco después del Big Bang todas las partículas no tenían masa y que al ir disminuyendo la temperatura se fue creando un campo conocido como el «campo de Higgs» junto con su partícula asociada, el «bosón de Higgs». Las partículas que interactuaron con el bosón de Higgs adquirieron masa en forma proporcional: Aquellas con mucha interacción vinieron a ser partículas con mayor masa, en tanto las que no tuvieron interacción no adquirieron masa.

Aunque señalada como la partícula de Dios, sólo se trata de un término elegante para ilustrar el efecto ubicuo del campo de Higgs así como su importancia en determinar la masa de lar partículas subatómicas. Por lo tanto, la antimateria no tiene que ver directamente con la mencionada partícula de Dios.

CERN y LHC: Física de lo muy pequeño para la física de lo muy grande

El LHC es una de las maquinas mas grandes creadas por el hombre. Su misión es desentrañar algunos secretos del mundo subatómico y encontrar su relación con fenómenos del Universo. El LHC se construyó en las instalaciones de un acelerador previo, el LEP (siglas de Large Electron-Positron Collinder, Gran Colisionador de Electrón-Positrón) del CERN. Por lo tanto, ocupa el túnel circular en forma de toro de 27 kilómetros a 100 metros por debajo de la superficie terrestre en la frontera de Francia y Suiza.

El LHC opera con grandes cantidades de energía y para el óptimo funcionamiento de los enormes imanes que lo componen se requiere que el túnel se requiere que el complejo esté a una temperatura apenas poco mayor que el cero absoluto: A 2º Kelvin, es decir, –271º C logrado mediante el uso de helio líquido superfluido. Su mecanismo de acción es acelerando partículas en sentidos opuestos a través del túnel, a velocidades relativistas (cercanas a la velocidad de la luz, o sea 300,000,000 metros/segundo) y después producir la colisión de ambos haces de partículas.

Ahora bien, aunque en forma clásica se sabe que el átomo está compuesto por protones, neutrones y electrones, en realidad existe toda una variedad de partículas subatómicas. Como ejemplo, se puede señalar que aún los protones y electrones no son piezas fundamentales, sino que están construidos a su vez de elementos mucho más pequeños llamados quarks. Por lo tanto, la terminología se ha vuelto un poco más compleja para denominar el amplio «zoológico» de partículas subatómicas. De esta forma, una primera clasificación puede lograrse dividiendo a las partículas en aquellas que poseen masa y aquellas que carecen de la misma. Las primeras se denominan como fermiones (en honor a Enrico Fermi) y las segundas se llaman bosones (en honor a Satyendra Nath Bose). Los bosones son partículas encargadas de transmitir cada una de las cuatro fuerzas conocidas: Electromagnética, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y gravitacional. El bosón más conocido es el fotón encargado de la fuerza electromagnética, en tanto que la partícula que transmite la gravitación (el gravitón) no se ha logrado identificar y por el momento solo existe en hipótesis.

Volviendo a los fermiones (partículas con masa), estos se dividen en leptones (de los cuales hay 6, y uno de ellos es el electrón) y los quarks (también 6 distintos). Un leptón existe de forma aislada, en tanto los quarks existen únicamente formando asociaciones de ellos, ya sea en parejas o en tríos. Las partículas com-puestas y que son sometidas a las fuerzas nucleares fuertes se denominan como hadrones (del griego, hadros, denso). Los neu-trones y protones son hadrones, debido a que sus quarks consti-tuyentes (3 para cada uno) se mantienen unidos mediante el «intercambio» de otras partículas, los gluones, responsables de la fuerza nuclear fuerte. Cabe señalar que los hadrones compuestos por 3 quarks se denominan como bariones (del griego, barys, pe-sado) en tanto que las partículas formadas por 2 quarks se co-nocen como mesones (del griego, mesos, intermedio). Por lo tan-to, el LHC hará colisiones entre hadrones, es decir, entre protones específicamente, con el fin de develar los secretos en la es-tructura del átomo. Esto equivale a acelerar un par de relojes a enormes velocidades, para en un momento dado, cruzar sus tra-yectorias haciéndolos chocar y fragmentándolos en decenas de piezas. Los detectores del LHC se encargaran de descubrir esas piezas que salten del choque entre los hadrones, siendo uno de ellos el bosón de Higgs, que ya se mencionó anteriormente.

Pero aún hay más.

Se cree que todas estas partículas que han mencionado y otras más están compuestas por elementos mucho más pequeños, del orden de la denominada longitud de Planck, unos 1 x 10–33 centímetros (si se quiere desglosar este número solo para producir un poco de mareo al lector, es algo así como 0.000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,001 centímetros). Estos elementos ultrapequeñísimos son las llamadas cuerdas y la teoría que las baraja es la Teoría de las Cuerdas (o Teoría de las Supercuerdas o Teoría M). Dentro de esta teoría se ha hipotizado la existencia de una supersimetría, donde cada partícula que se conoce posee otra que le es simétrica (y que es diferente de las antipartículas, que son lo opuesto). Un ejemplo es la hipotética partícula supersimétrica del electrón, el llamado selectrón (de su-persymmetric electron). De encontrar indicios de estas partículas en el LHC, se daría un apoyo a la Teoría de las Cuerdas.
Por otro lado, las partículas supersimétricas podrían formar parte de la llamada materia oscura del Universo, por lo cual el corroborar o eliminar su existencia podría ayudarnos a especular sobre el destino final del Universo. De haber suficiente materia en forma de materia oscura, el Universo probablemente evolucione hacia un Big Crunch. De no haber suficiente materia que contrarreste el alejamiento de toda la materia observable en el Universo actual, no habrá suficiente fuerza gravitacional y todo, absolutamente todo, continuara alejándose uno de otro en lo que se denomina como Big Freeze, o Gran Frio. Un punto más desalentador es el Big Rip, o Gran Desgarramiento, en donde hasta cada partícula se aleja una de otra en un Universo muy lejano en el tiempo.

Pero no sólo eso.

El LHC también podría brindar algunas respuestas en torno al Universo, solo que en el otro extremo del tiempo, durante su creación. En el LHC se pretende recrear las condiciones que existieron en el Big Bang, con niveles elevados de temperatura, presión y energía… solo que a un nivel de mucho menor escala. Se pretende comprender las causas de que la mate-ria diera lugar a nuestro Universo, dejando desaparecida a la antimateria. Y al poder concentrar un gran volumen en poco espacio se daría un incremento en la densidad de la materia, creando microagujeros negros (áreas de alta densidad donde ni los fotones a la velocidad de la luz pueden escapar). La radiación de Hawking predice que en el borde del agujero negro emite radiación a cam-bio de que disminuya la masa del agujero. Por lo tanto, los micro-agujeros negros deberán evaporarse inmediatamente después de formados en una nube de radiación de Hawking, siendo completamente inocuos.

Finalmente aun queda pendiente el descubrimiento del gravitón, la hipotética partícula portadora de la fuerza de gravitación. No se sabe si el LHC podría brindar indicios de su existencia. La importancia del gravitón es que permitiría unir a las dos teorías de la física que explican los fenómenos del Universo: La teoría cuán-tica (que afirma que a nivel de lo muy pequeño todo está en forma cuantizada, es decir, en forma de paquetes o partículas) y la teoría de la relatividad (la cual afirma que el espacio-tiempo es un continuo y que los efectos que provoca son geométricos). Al lograr la unión entre estas dos grandes teorías se alcanzaría el Santo Grial de la física moderna, la Teoría del Todo.[x]

Algunos datos
1.- Conseguir 1 gr de antima-teria demandaría 1,000 millones de años con la tecnología actual del CERN.

2.- El transporte de antimate-ria demandaría dispositi-vos sumamente pesados debido a los imanes y a la fuente de energía de los mismos.

3.- 1 gramo de antimateria supondría una explosión con una fuerza similar a la bomba nuclear detonada en Nagasaki.

4.- La antimateria no es la llamada particula de Dios. El apodo pertenece al bosón de Higgs, una hipotética partícula res-ponsable de brindar la masa a los fermiones.

5.- La única antimateria que puede almacenarse por escaso tiempo son los positrones o los antiprotones. Partículas neutras como los antiátomos o los antineutrones son imposibles de almacenar con las trampas a base de imanes.

6.- En toda la historia del CERN, solo se ha producido 10 nano-gramos (0.000,000,01 gr) de antimateria, suficiente para encender una bombilla eléctrica por pocas horas.