La Antimateria, una realidad de la física

¿Qué es la antimateria? ¿De qué está compuesta? ¿Cómo se genera? ¿En dónde se encuentra? Y ¿qué posibles usos tiene en la física aplicada?

física

 

Antimateria, este concepto se ha venido acuñando con el avance en los conocimientos sobre física cuántica; asimismo, los astrónomos que se inician en su campo deben ahora conocer la teoría y práctica que existe a la fecha.

 

física-antimateriaLa materia normal como la conocemos, está compuesta de átomos, las distintas organizaciones de distintos átomos forman todos los tipos de moléculas y estos a su vez la materia. Estos átomos están compuestos por electrones, protones y neutrones, los elementos más pequeños conocidos (eso sin contar los quarks y demás). Ahora bien, la antimateria se compone del mismo modo, con algo llamado anti-átomos, que están constituidos por antielectrones (también llamados positrones), antiprotones y antineutrones.
Paul Maurice Dirac había deducido, basándose en un análisis matemático de las propiedades de las partículas subatómicas, que cada partícula debería tener su “antipartícula”. Así pues, debería haber (en teoría) un “antielectrón” idéntico al electrón, un antiprotón idéntico al protón y un antineutrón idéntico al neutrón. La única diferencia entre unos y otros es su carga. Así, el electrón es negativo mientras el antielectrón es positivo, el protón es positivo mientras que el antiprotón es negativo, ¿y el neutrón? Bueno, con el neutrón hay una situación especial ya que no posee carga, pero lo explicaremos más adelante.

Hasta ahora llevamos que la antimateria es materia constituida por antielectrones, antiprotones y antineutrones, pero ¿en qué se diferencian los electrones, protones y neutrones de los antielectrones, antiprotones y los antineutrones?

La diferencia de los electrones y protones de los antielectrones y los antiprotones es básicamente la carga eléctrica (como ya se había mencionado) ya que son idénticas en el aspecto físico y en constitución. Sus movimientos rotatorios se han invertido, por lo que sus polos magnéticos también se han invertido, de esta manera su carga eléctrica es la opuesta de lo que “debería” ser.

Ahora bien, con el neutrón, la explicación es distinta. ¿Por qué se le dice anti a una partícula que posee carga neutra? Para responder esto pregunta es necesario explicar brevemente las características de los antielectrones y los antiprotones.

La existencia de un antielectrón (al igual que la de un electrón) puede ser indefinida. El “promedio de vida” es de una millonésima de segundo, esto hasta que se encuentra con un electrón, momento en el cual quedarán asociados el electrón y el antielectrón y ambas partículas girarán en torno a un centro de fuerza común. La existencia de este sistema, como máximo, durará una diezmillonésima de segundo y luego se combinan en una relampagueante mini-explosión.

Cuando se combinan las dos partículas opuestas, se produce una neutralización mutua y literalmente desaparecen (proceso llamado “aniquilación”), sin dejar rastro de materia, pero como sabemos la materia al igual que la energía no puede desaparecer. Lo que pasa es que esta “aparente destrucción” da como resultado energía en forma de radiación gamma. Lo cual comprueba lo que había sugerido Albert Einstein: “la materia puede convertirse en energía, y viceversa.”

 

Lo mismo sucede con el antiprotón, que es tan efímero como el antielectrón. En una ínfima fracción de segundo después de su creación la partícula desaparece (al igual que el antielectrón) arrastrada por un protón normal cargado positivamente. Entonces se aniquilan entre sí y nuevamente se transforman en energía y partículas menores.

Con algo de física elemental es fácil comprender como forma un campo magnético una partícula cargada (como protones y electrones), pero no resulta tan fácil saber por qué hace lo mismo un neutrón. El “magnetismo del neutrón” sigue siendo un misterio, los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalentes a cero, aunque, por alguna razón desconocida, logran crear un campo magnético cuando la partícula GIRA.

 

Con lo anteriormente descrito, ahora sí podemos conocer la diferencia entre un neutrón y un antineutrón, la respuesta es: LA DIRECCIÓN DE LA ROTACCIÓN DE LA PARTÍCULA. Por ejemplo, si un neutrón gira a la derecha, el antineutrón girará a la izquierda. Por el momento esta teoría es bastante sólida, y ningún fisico la cuestiona actualmente.

 

¿Hay masas de antimateria en el Universo?

 

Si las hubiera, no revelarían su presencia a cierta distancia. Sus efectos gravitatorios y la luz que produjeran serian idénticos a los de la materia corriente. Sin embargo, cuando se encontrasen con la materia, deberían ser claramente perceptibles las reacciones masivas de aniquilamiento resultantes. Por esto, los astrónomos se afanan en observar especulativamente las galaxias, para comprobar si hay alguna actividad inusitada que delate las interacciones materia-antimateria.

Dado que la materia y la antimateria son equivalentes en todos los aspectos, excepto en su carga electromagnética, cualquier fuerza que crease una originaría la otra, y el Universo debería estar compuesto de iguales cantidades de una y otra. Este es el principal dilema, ya que la teoría dice que debería haber antimateria, pero la práctica no la demuestra aún. Esto es un tanto frustrante, ya que un fenómeno de aniquilación materia-antimateria crearía una fuerza mucho mayor al colapso gravitatorio de una supernova al explotar y debería ser perceptible a la distancia, pero aún no se ha observado algo semejante.

 

Las hipótesis científicas aceptadas suponen que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones, sin embargo el universo que observamos aparentemente está compuesto únicamente por partículas y no por antipartículas. Se desconocen los motivos por los que no se han encontrado grandes estructuras de antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina bariogénesis, y contempla tres posibilidades:

Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas. Se ha calculado que la diferencia inicial entre materia y antimateria debió ser tan insignificante como de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula.

 

 

Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP. Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria. En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de distinta forma con la materia que con la antimateria.

Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada. Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Sin embargo, estos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse. La NASA ha enviado la sonda Alpha Magnetic Spectrometer (Espectrómetro Magnético Alpha) para buscar rastros de antimateria más compleja, que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.

 

USOS QUE SE LA HAN DADO A LA ANTIMATERIA 

 

Si bien la antimateria está lejos de ser considerada una opción por su abrumador costo y las dificultades tecnológicas inherentes a su manipulación, las antipartículas sí están encontrando usos prácticos: la tomografía por emisión de positrones es ya una realidad. También se investiga su uso en terapias contra el cáncer, ya que un estudio del CERN ha descubierto que los antiprotones son cuatro veces más efectivos que los protones en la destrucción de tejido canceroso, y se especula incluso con la idea de diseñar microscopios de antimateria, supuestamente más sensibles que los de materia ordinaria. Pero el mayor interés por la antimateria se centra en sus aplicaciones como combustible, pues la aniquilación de una partícula con una antipartícula genera gran cantidad de energía. Según la ecuación de Einstein E=mc² la energía generada por kilo (9×10^16 J/kg), es unas diez mil millones de veces mayor que la generada por reacciones químicas y diez mil veces mayor que la energía nuclear de fisión. Por ejemplo, se estima que sólo serían necesarios 10 miligramos de antimateria para propulsar una nave a Marte. No obstante, hay que indicar que estas cifras no tienen en cuenta que aproximadamente el 50% de la energía se disipa en forma de emisión de neutrinos, por lo que en la práctica habría que reducir las cifras a la mitad.

 

 

Queda claro que falta mucho por descubrir y comprender sobre las partículas que conforman nuestro Universo, pero cada paso que se da es un viaje espectacular.

 

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