Antimateria, esa palabra que cuando la pronuncias con un tono intrigante hace pensar que hablamos de ciencia ficción. Y es que claro, a algunos se nos viene a la cabeza que la nave de Star Trek usaba aniquilaciones de materia-antimateria para propulsarse más allá de la velocidad de la luz. O que en el libro, y película, Angeles y demonios, el profesor Langdon trataba de salvar el Vaticano de una bomba de antimateria.

Pero no nos confundamos, a pesar de sus apariciones en la ciencia ficción, la antimateria es real, muy real, tanto que incluso nosotros mismos la emitimos desde nuestro cuerpo. Tanto que existe una “lluvia” de antipartículas que nos alcanza y que proviene del espacio exterior. Pero, ¿qué es la antimateria?, y ¿por qué es tan importante para la ciencia?

Rayos cósmicos. Crédito: A. Chantelauze, S. Staffi, y L. Bret

La historia del descubrimiento de la antimateria es una de esas que dejan entrever el poder del lenguaje matemático en la física. Soluciones a ecuaciones que parecen desafiar el sentido común, que parecen estar equivocadas pero que, sin embargo, requieren de una vuelta de tuerca a todo aquello que pensamos. ¡Ciencia en estado puro!

¿Qué es la antimateria?

La antimateria esta compuesta de lo que llamamos antipartículas. Este tipo de partículas son idénticamente iguales a las que conocemos pero con una salvedad, su carga eléctrica es opuesta. Por ejemplo, la antipartícula del electrón, partícula cuya carga eléctrica es negativa, es el positrón, que es exactamente igual salvo que su carga eléctrica es igual y positiva. Así de sencillo.

Los pares partícula-antipartícula además tienen una propiedad fascinante. Cuando una partícula y su correspondiente antipartícula se encuentran, chocan, éstas se aniquilan, desaparecen, dando lugar únicamente a un flash de luz. Bonito, ¿verdad?

Alguien podría estarse preguntando, ¿y qué pasa con las partículas que no tienen carga eléctrica, como por ejemplo el neutrino? La ciencia cree a día de hoy que los neutrinos podrían ser su propia antipartícula. Serían lo que se conocen como partículas Majorana, aquellas que son su propia antipartícula. Existen además teorías, como la Supersimetría, que postulan que las partículas de materia oscura podrían ser también partículas de Majorana. Pero no me meteré en este jardín, ¡al menos en este post!

La maravillosa ecuación de Dirac

Como comentaba al inicio del post, la historia del descubrimiento de la antimateria es muy significativa. Nos remontamos a comienzos de la década de los años 30 del siglo pasado. El genial físico Británico Paul Dirac trataba de unificar dos de las corrientes de la física más importantes, la relatividad especial y la mecánica cuántica, en un mismo marco teórico describiendo un electrón que se mueve a velocidades cercanas a la luz. Y lo consiguió. Formuló lo que a día de hoy se conoce como ecuación de Dirac, una ecuación tan sencilla y bella que abrumó a la comunidad científica del momento.

Ecuación de Dirac.

Pero a pesar de su belleza, la ecuación predecía algo que parecía imposible, partículas con energía negativa. De la misma forma que la ecuación x²=4 posee dos soluciones (x=2 y x=-2), una de las soluciones de la ecuación de Dirac parecía indicar que las partículas podían tener una energía menor que la energía del reposo. Es decir, que podían tener una energía menor que la energía que tienen cuando no hacen absolutamente nada.

Y he aquí la genial interpretación de Dirac de las partículas con energía negativa. Esas soluciones realmente apuntaban a que existía un “mar” de partículas que tenían energías más bajas, un “mar” que hasta el momento había pasado desapercibido para la física. Y es que cuando una partícula “normal” salta de un nivel de energía bajo a uno más alto, deja un hueco en el nivel de energía bajo, del que proviene. Si esta partícula tiene una carga negativa, digamos que es un electrón, el hueco que deja pasa a tener un déficit de carga negativa, o lo que es lo mismo, una carga positiva, ¡un positrón! Aparecían así por primera vez, a nivel teórico, las antipartículas.

Pero, ¿y dónde está la antimateria?

Poco después de que Dirac postulara su existencia, se encontraron las primeras antipartículas. Fue Carl D. Anderson quién encontró positrones provenientes de rayos cósmicos usando una cámara de niebla. Este tipo de cámaras se usaron como detectores de partículas. Se trata de un gas que es ionizado al paso de una partícula de forma que se puede visualizar la trayectoria que ésta ha llevado. Anderson usó un campo magnético de forma que cuando una partícula cruzara la cámara, su trayectoria se curvara de acuerdo a su carga eléctrica. Así, un electrón y su antipartícula, el positrón, deberían curvarse en sentidos opuestos.

Primera fotografía de Anderson de un positrón en una cámara de niebla. Crédito: Wikipedia.

Unos años más tarde, en 1955, Emilio Segré y Owen Chamberlain descubrieron el antiprotón y el antineutrón, y desde entonces los descubrimientos no han parado. A día de hoy, nuestro maravilloso juguete, el LHC, está produciendo antipartículas en cada colisión, pero no es el único, en general cualquier acelerador de partículas lo hace.

Las antipartículas se crean en una plétora de procesos físicos. La Tierra está siendo constantemente bombardeada con antipartículas (forman parte de lo que se conoce como rayos cósmicos) producidas en diferentes procesos astrofísicos.  Pero vayamos más cerca de nosotros. Debido al decaimiento del potasio-40, un plátano produce aproximadamente un positrón cada…¡75 minutos! Pero en nuestro cuerpo también podemos encontrar potasio-40, eso quiere decir que nosotros mismo somos una fuente de antipartículas.

Y, ¿para qué sirve?

Una de las aplicaciones más fascinantes que tiene la antimateria es en la medicina. La tomografía por emisión de positrones usa estas partículas para producir imágenes de alta resolución del cuerpo humano. Este tipo de imágenes son altamente eficaces a la hora de detectar, entre otras cosas, tumores.

Actualmente en el CERN, complejo en el que se sitúa el LHC, el proyecto ACE estudia el uso de antiprotones en la terapia contra el cáncer. Y es que estas partículas añaden un impulso extra de energía (más capacidad de destrucción) a partículas que bombardean tumores. Aunque aún no se ha probado en células humanas, esta terapia sí se ha probado satisfactoria en células cancerosas de hámsters.

Diferentes cortes de un cerebro vistos con una tomografía por emisión de positrones.

Además, el futuro podría parecer prometedor en el campo de la producción de energía. Y es que como decíamos, cuando la materia se encuentra con antimateria se aniquilan dando lugar a una buena cantidad de energía en forma de luz. Para hacernos una idea, un gramo de antimateria liberaría la cantidad de energía equivalente a una bomba nuclear, ¡un gramo!

A día de hoy, el problema está en los costes relacionados con la producción y almacenamiento de antimateria. Y estamos muy lejos de solucionarlo. Producir un gramo de antimateria requeriría cerca de 25.000 billones de kilovatios hora de energía, elevando así el coste por encima de los mil billones de dólares. ¡Habrá que esperar a crear naves como la de Star Trek!

La extraña existencia de materia en el universo

La existencia de la antimateria plantea una de las mayores cuestiones de la física actual, ¿por qué existimos? Pareciera ser más una pregunta de carácter filosófico, pero a decir verdad, es una pregunta que vive totalmente en el reino de la física.

El Modelo Estándar de física de partículas predice la existencia de una simetría llamada CP (Charge-Parity). Esta simetría establece la que la física de las partículas es igual que la de las antipartículas. Esto quiere decir que, según la teoría del Big Bang, se debería haber producido la misma cantidad de materia y antimateria en los orígenes del universo, lo que hubiera contribuido a que se hubieran aniquilado por pares, sin dejar rastro de nuestra existencia.

Crédito: NASA.

Pero la verdad es que aquí estamos, existimos, y además todo lo que vemos en el universo está hecho de materia, no de antimateria. Un simple cálculo muestra que para que esto sea así sólo se necesita que haya una partícula más de materia que de antimateria por cada mil millones de pares materia-antimateria. Parece que no es mucho, ¿verdad?, pues es bastante más de lo que parece y actualmente no se sabe como generar este “desajuste”.

Es más, hace pocas semanas, en el CERN, se midió el momento magnético del antiprotón. Esto es algo así como medir cómo reacciona un antiprotón a un campo magnético externo. Pudiera ser que la antimateria tuviera alguna propiedad, digamos el momento magnético, que la diferencie de la materia y por ello se generase el “desajuste” necesario para que existamos. Pues bien, la medida, hecha con una precisión sin precedentes, indica que los momentos magnéticos del protón y el antiprotón son básicamente iguales.

En alguna parte ha de estar la diferencia, la asimetría entre la materia y la antimateria, pero a día de hoy no se sabe. Todo lo que observamos en el universo esta hecho de materia, todo lo que te rodea es materia, así que debe haber algo que distinga la materia de la antimateria. La búsqueda, tanto a nivel teórico como a nivel experimental, de esta diferencia es una de las tareas prioritarias de la física actual así que esperemos que en los próximos años podamos entender qué demonios hacemos aquí.