El experimento de la antimateria... ¿Cómo es eso?

Sin ser físicos ni hombres de ciencia como los denominaba Einstein, explicar la existencia de materia puede ser algo sencillo. Lo podemos definir muy superficialmente como "Materia es todo aquello que ocupa un espacio en el Universo". Pero si nos quedamos con esta definición, se torna un poco complejo determinar qué es la antimateria. Eso es algo de lo que habrían hallado en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones). En este artículo, vamos a ver un poco de qué se trata todo esto...

Es muy seguro que no sea la primera vez que oímos la palabra antimateria (o anti-partículas): Se trata de una teoría que contempla la existencia de materia que estaba constituida en forma exactamente inversa que la materia que conocemos, la cual pudo ser demostrada en el pasado en otros colisionadores de hadrones.

Pero ¿Qué se descubrió exactamente?

Para poder explayarnos, debemos hacer una breve introducción al tema:

Todos sabemos que la materia está formada por átomos. Estos átomos a su vez están formados por partículas sub-atómicas,a saber:

• Protón [P⁺] (Posee carga positiva, se halla en el núcleo. Su masa es de alrededor de una (1) UMA -unidad de masa atómica-).
• Neutrón [N⁰] (No poseen carga. Se halla en el núcleo del átomo. Su masa es -al igual que el protón- de una UMA)
• Electrón [e^- ] (Posee carga negativa. Es 1800 veces más liviano que el Protón. Se halla orbitando alrededor del núcleo)

Lo interesante es (como mencionamos en la introducción) que en años anteriores, se pudo demostrar que existen partículas elementales identicos a los átomos que componen la materia, pero de carga exactamente opuesta. Es decir que está compuesto por:

• Antiprotón (Posee carga negativa. Se halla en el núcleo. Su masa es de una UMA. Inverso al P⁺)
• Antineutrón (No posee carga, pero los quarks que lo componen se anulan con los neutrones. Se halla en el núcleo y pesa 1 UMA. Inverso al N⁰)
• Positrón (Posee carga positiva. Es 1800 veces más liviano que el antiprotón. Orbita alrededor del núcleo. Inverso al e^-)

Bueno, básicamente esta idea revolucionó el mundo de la física de partículas, y la física cuántica, además de varios campos como la astronomía y astrofísica. La idea básicamente era "Si existen átomos, los cuales forman moléculas y a su vez éstas forman la materia que conocemos, entonces debe existir anti-partículas que forman anti-moléculas que a la vez conforman la anti-materia. Incluso éstos pueden llegar hasta formar antu-universos".

No es ilógico pensar algo como eso, si tenemos en cuenta que el Universo no responde a los modelos físicos a los cuales estamos acostumbrados.

En la actualidad llegó la hora de poner manos a la obra y probar qué tan posible era esto. A partir de modelos matemáticos, éstos sugieren que cuando se juntan porciones exactas de materia y anti-materia, éstas se anulan mutuamente liberando gran cantidad de energía.

También existe una teoría que supone que toda la energía que existe en el universo es producto de esos choques de partículas y anti-partículas, que se originó en el Big Bang, algunas milésimas de segundo después de que explotara.

Entonces allí surge la duda que muchos de ustedes se deben estar haciendo en este momento: ¿Si en el universo existe anti-materia, entonces cómo es posible que la materia exista? Bueno, hay teorías que sugieren que en el instante de producirse el Big Bang, exista un minúsculo excedente de materia por sobre la anti-materia, y eso explicaría el por qué de nuestra existencia.

Ahora que hemos tenido un acercamiento al por qué de nuestra existencia (basado mayormente en teorías o en ecuaciones matemáticas en un escritorio de un físico) llega el momento de indagar el:

¿Por qué la importancia de este experimento?

Cuando se puso a prueba el primer experimento en el LHC (denominado Alpha), los científicos lograron obtener 38 anti-partículas de hidrógeno (llamado anti-hidrógeno). Y más impresionante aún, se las pudo mantener con "vida" durante unas dos décimas de segundo. Aunque parezca absurdamente pequeño ese tiempo, debemos tener presente que dos décimas a escala sub-atómica representa una "eternidad", además que se obtiene una cantidad abrumadora de información para analizar posteriormente.

Actualización: El 6/06/2011 según revela un artículo publicado en la revista Nature Physics, se logró atrapar átomos de antimateria durante más de 1.000 segundos (alrededor de 16 minutos) en el experimento Alpha del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN).

Átomo de hidrógeno y de anti-hidrógeno.

¿Pero no era que ya se había logrado anteriormente?

Efectivamente. Ya en 1965 se habia logrado crear el anti-deuteron, un átomo de deuterio en el Acelerador Protón Sincrotrón del CERN (a cargo del Profesor Antonino Zichichi) y tambien en el acelerador AGS (Alternating Gradient Synchrotron) del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Nueva York, por el equipo liderado por el profesor Leon Max Lederman, pero no se los pudo conservar lo suficiente como para obtener los datos con los que hoy se cuenta.

La complejidad de crear anti-materia

No es una tarea sencilla poder crear partículas con carga opuesta a la que existe en el universo conocido. Entre otras causas, recordemos que ésta se anula (o destruye) en contacto con la materia que lo rodea. Para generar las anti-partículas, y recolectar sólo 38 unidades, fue necesario crear unos diez milloes de antiprotones y positrones. Luego fue necesario "hecharlos a andar" por el acelerador y frenarlos lo suficiente como para poder manipularlos.

¿Y cómo frenarlos? Para aquellos que hemos estudiado química, sabermos que el cero absoluto (0º Kelvin) es la energía térmica mínima que puede alcanzar la materia. Es a esa energía donde cesa todo movimiento a escala molecular. Esa temperatura (de -273,15ºC) es teórica, así que la temperatura más baja a la que se puede llevar estas anti-partículas es de alrededor de 2ºK por encima del cero absoluto, utilizando Helio líquido.

A esta temperatura las anti-partículas reducirían su velocidad lo suficiente como para poder manipularlos, y así poder juntar los anti-protones con los positrones y así lograr armar un átomo de antimateria. Posteriormente manteniendo "vivo" ese átomo haciendo uso de campos magnéticos se podría estudiar en detalle toda la información que esta anti-partícula puede brindar (por un corto periodo de tiempo, claro está).

Esta técnica de enfriar casi hasta el cero absoluto ya ha sido perfeccionado (fruto de varias teorías y experimentos), denominándose Condensado de Einstein-Bose. A continuación, un átomo de Rubidio enfriado progresivamente (de izquierda a derecha) hasta este estado de Condensado:

Hay mucho mucho más para hablar del tema, como el principio de la entropía, ley de la conservación de la energía o profundizar un poco más en la teoría de la relatividad especial que si es de su interés, podemos abordar en artículos futuros.

Conclusión: ¿Qué beneficios otorga este experimento?

Sería hereje decir que ninguno, pero a corto plazo los datos obtenidos sólo son de muchísima importancia teórica. A futuro, representa ventajas que por hoy son casi desconocidas.

Por ejemplo, tomemos las formas de obtener energía a partir de procesos actuales conocidos:

• Fisión: La energía se produce a partir de fisionar ("romper") un átomo. La energía obtenida se utiliza para generar calor, el cual hace funcionar las centrales nucleares. Desventajas: genera residuos.
• Fusión: La fusión consiste en unir dos átomos creando uno nuevo. La energía liberada por la masa perdida entre las partículas es muchísmo mayor que en la fisión. Es limpia y el producto de la fisión es materia inocua para el medio ambiente.
• Anti-materia: Es la que más energía libera de todas las formas conocidas por la humanidad. Libera el 100% de energía almacenada en un cuerpo.

¿Cuánta energía posee un cuerpo cualquiera?

Esta pregunta es simple de resolver, gracias a una de las ecuaciones más revolucionarias que hayan sido expresadas:

E = m.c²

Donde:

• E  (energía  - en Joules - )
• m  (masa  -en kg-)
• c   (velocidad de la luz -299.792.458 m/s -)

Con ello sabemos que la energía almacenada de cualquier porción de materia es igual a la masa de ésta por el cuadrado de la velocidad de la luz. Sólo basta ver que un gramo de materia (lo que sea) es increíblemente enorme:

E = 0,001 kg . (299792458 m/s)² => 8,987551787x10¹³ kg.m²/s²  {joules / kilogramo}

¿Y eso es mucha energía?

Supongamos que es posible utilizar el 80% de la energía que nos entrega la materia (y no el 100%, para hacerlo más real). En ese caso, podemos obtener la potencia en Watts (seguro que esa unidad suena más, ¿no?) y ver qué es capaz de marchar con 1 gramo de materia.

Definamos Watt:

W = Joules / segundos = (Newton . metro) / segundos = (kg . m²)/s³ 

Bueno, allí es posible despejar que en una hora, se obtendría de un gramo de materia unos:

W = (8,987x10¹³ kg.m²/s² / 3600 segundos) . 80%  = 1,99x10¹⁰ watts/hora.= lo que es 19,97 GigaWatts/hora de energía.

Si no tienes una dimensión de consumo, presta atención a las siguientes comparativas:

Una familia tipo en España consume unos 11.000 Kw/año, lo que representa un 36,4% más que el consumo de una familia en Argentina (aproximadamente unos 7000 Kw/año). La energía generada por un gramo (1 g.) de materia en una hora, sería suficiente para abastecer a estas familias por un año, y aún sobraría más de un 50% para abastecer a otra familia. ¿Increíble, no?

Aún así, falta mucho tiempo para poder obtener energía haciendo uso de la antimateria. A la inversa, podemos ver cuánta energía es necesaria para generar un gramo de materia.

Por el momento, esa idea quedará en nuestra imaginación, hasta el día que sea posible utilizar una fuente de energía casi infinita.

• Wikipedia
• CERN
• Taringa!
• Energía consumida en España