“LA ANTI-MATERIA”
( GUIÓN )
Ó—: Hola, queridos amigos de “La luz de Atenea”. Aquí
estamos, una noche más, dispuestos a profundizar en otro de los grandes
temas de la ciencia. Cómo siempre, nuestra intención es la de
llevaros con nosotros en un viaje entretenido y ameno. La ciencia puede ser
compleja, y a veces incluso laberíntica, pero afortunadamente los caminos
del conocer no son inexcrutables. Buena muestra de ello es el explorador ‘jefe’
en esta aventura, nuestro guía de cada semana: el profesor Francisco
Rubio, del departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales
de la Universidad Politécnica de Valencia.
¿Cómo estás, Francisco?
F—: Muy bien., la verdad es que tengo muchas ganas de comenzar (improvisación).
¡Según tu presentación, parece como si me tocara guiar a
un grupo de ‘boy-scouts’! Realmente, nuestro grupo de excursionistas
es mucho más nutrido, y el viaje más emocionante... Cada recorrido
científico de “La luz de Atenea” es una aventura única.
Ó—: ¿Y a dónde viajamos esta noche? ¿Nos vamos
a adentrar por bosques muy profundos, por empinadas laderas...?
F—: Hombre... Pues la aventura de hoy es un tanto... ‘rara’.
¿Recuerdas el libro ‘A través del espejo’?
Ó—: ¿Aquel que transportaba al lector a un mundo... donde
todo estaba invertido, donde todo era lo contrario de lo que existía
en el mundo real?
F—: Exactamente: pues nosotros vamos a hacer algo parecido: salimos del
mundo de la materia, y nos sumergimos en el país de... la ‘anti-materia’,
ese concepto físico que sueña tan extraño... Un concepto,
muy relacionado con la Teoría de la Relatividad y con la Teoría
Cuántica.
Ó—: En fin, amigos, preparaos para una aventura singular, de tintes...casi
esotéricos: ‘la anti-materia’. Por cuanto al consejo de esta
noche... lo tengo difícil. Si acaso, que -en vez de desenrollar un ‘hilo
de Ariadna’- utilicéis como guía la luz que desprende vuestro
dial desde el otro lado del espejo. Aferraos bien a la 102.5, que seguro que
no os perdéis entre la anti-materia. Comenzamos.
----breve pausa: cambio de sintonía----
Ó—: ‘La anti-materia’. ¿Qué es la antimateria,
y cuál es su papel en la existencia del total de materia actual? Esas
son las preguntas a las que nos enfrentamos esta noche. Como ya hemos dicho
antes, amigos, el concepto está relacionado con la Teoría de la
Relatividad de Albert Einstein, y con la interpretación que hizo de esta
teoría la Mecánica Cuántica. De la imbricación de
esas dos grandes teorías científicas surge la ‘anti-materia’...
uno de los descubrimientos más importante del siglo XX, ¿no es
así, Francisco?
F—: Ni más, ni menos.
Ó—: ¿Y cómo la contextualizamos? Vamos a ver: la
materia constituye todo el universo observable -¿verdad?- y crea junto
a la energía todos los fenómenos del mundo...
F—: Eso es...
Ó—: Después tenemos que la materia está compuesta
por átomos, compuestos a su vez por partículas subatómicas:
protones, neutrones, electrones.... (es el abecé de la física
de partículas). Luego, la materia está sometida a ciertas propiedades
y fuerzas... como la gravedad, ¿no?
F—: Exacto. Pero ten en cuenta, Óscar, que Einstein dijo algo importante
con relación a esto: la materia y la energía son intercambiables,
son equivalentes...
Ó—: Creo que ya veo a dónde quieres ir a parar con el concepto
de ‘equivalencia’...
F—: ¡Claro!: La antimateria se puede definir de la misma forma que
la materia... pero teniendo en cuenta que las partículas que la forman
son la contrapartida de la materia. Es decir, si la materia contiene protones,
neutrones... etc, la antimateria está formada por ‘antiprotones’,
‘antineutrones’, positrones (que son antielectrones)... etc.
Ó—: Pero, Francisco, creo que hay algo que conviene remarcar a
nuestros oyentes: materia y antimateria no pueden existir juntas. Como el ruido
y el silencio, como dios y el diablo...
F—: Sí, eso es importante. Ten en cuenta que si materia y anti-materia
se encuentran... ¡se destruyen!, con la consiguiente liberación
de gran cantidad de energía. Esto es perfectamente lógico según
la famosa ecuación de Einstein ‘E=mc2’... Pongamos un ejemplo:
la vida de un positrón es ínfima, ¿por qué? Porque
si un positrón se encuentra con un electrón ambos se destruyen:
ambos desaparecen en forma de rayos gamma de alta energía.
Ó—: Pregunta del millón: ¿entonces donde existe la
antimateria?
F—: Bueno... Se supone que existe en galaxias lejanas...: galaxias donde
los astrofísicos han observado fenómenos de gran liberación
de energía, debido a lo mejor a la destrucción mutua entre materia
y antimateria.
Ó—: En fin, amigos, un extraño concepto de alquimia, este
de la ‘antimateria’... La antimateria fue descubierta por Paul Dirac
en el 1930, y el primer positrón -del que ya nos ha hablado un poco el
profesor- fue encontrado en 1932. Así pues, podemos afirmar -Francisco-
que la antimateria es ‘materia’... compuesta de partículas
elementales que son como ‘imágenes especulares’ de las partículas
que forman la materia ordinaria...
F—: Sí. Y las ‘antipartículas’ tienen la misma
masa que las partículas correspondientes, pero su carga eléctrica
y otras propiedades son inversas. Por ejemplo -como ya hemos dicho-: la antipartícula
del electrón, llamada positrón, tiene carga positiva, pero en
todos los demás aspectos es idéntica al electrón... La
antipartícula que corresponde al neutrón, que no tiene carga,
se diferencia de éste por tener un momento magnético (que es otra
propiedad electromagnética de la materia) de signo opuesto.
Ó—: Las antipartículas, respecto a alas partículas,
son inversas en la carga o en el momento magnético... ¿Y en el
resto de propiedades físicas son totalmente similares?
F—: Exacto: las antipartículas son idénticas a sus partículas
correspondientes en el resto de parámetros que determinan las propiedades
dinámicas elementales (como masa, o tiempos de desintegración).
Ó—: Bueno, pues hablemos un poco del padre de la ‘antimateria’,
del físico británico Paul Dirac. Este investigador parece que
fue quien propuso la existencia de antipartículas... al intentar ensamblar
relatividad y mecánica cuántica, ¿verdad?
F—: Eso es. ‘Paul Adrien Maurice Dirac’ intentaba aplicar
las técnicas de la mecánica relativista a la teoría cuántica,
y se topó con el concepto de ‘antipartícula’. En 1928
Dirac desarrolló el concepto de ‘electrón con carga positiva’,
y su existencia real se demostró experimentalmente en 1932...
Ó—: Pero no todo han sido -Francisco- comprobaciones tan inmediatas:
hasta mediados de siglo...
F—: Es verdad. La existencia de antiprotones y antineutrones se suponía,
pero no se pudo confirmar hasta 1955, gracias a los aceleradores de partículas.
Ya en la actualidad, se han observado -directa o indirectamente- todas las antipartículas.
Ó—: Recordad amigos, el interesante tema de esta noche en la ‘Luz
de Atenea’: ‘la antimateria’. Algo muy curioso, Francisco,
es que a pesar de haberse comprobado, y observado, que la antimateria existe
-como ‘antipartículas’-.... ¡es algo que no parece
muy común en nuestro mundo! (vamos, no damos una patada a una piedra
y debajo encontramos una ‘antipiedra). ¿Cómo es esto?
F—: Sí, de hecho es un problema profundo de la física de
partículas, y de la cosmología en general: la aparente ‘escasez’
de antipartículas en el universo... ¿Cuáles son las razones?
Bueno, piensa que es comprensible que no existan en la Tierra (quiero decir,
que sólo existan ‘momentáneamente’): si chocan partículas
y antipartículas se aniquilan mutuamente liberando una gran energía.
Como dije antes, es posible que existan galaxias distantes compuestas de antimateria...
lo que sucede es que no existen métodos directos de confirmación.
Ó—: Nos encontramos, como siempre -Francisco-, con las limitaciones
técnicas a la hora de mirar al Universo, ¿verdad? ¡Sólo
podemos estudiar la luz que nos llega!
F—: Claro: casi toda la información del universo lejano nos llega
en forma de fotones, que son sus propias antipartículas (por eso no revelan
demasiado sobre la naturaleza de sus fuentes)...
Ó—: Por otra parte, profesor, hay casi un consenso en la Ciencia
respecto a que el universo está compuesto, en su mayoría, por
materia ‘ordinaria’...
F—: Sí, pero esto es totalmente coherente con las explicaciones
de la teoría cosmológica reciente. Mejor, buceemos un poco en
la historia para encontrar respuestas: hay que tener presente que hasta 1928,
ni siquiera en la física se había desarrollado -como concepto-
la idea de antimateria. Piénsalo: ¡y, mucho menos, la capacidad
de producirla!...
Ó—: Hasta que llega el físico Dirac con sus estudios...
F—: En la práctica, todo comienza con los trabajos que Dirac publicó
en el año 1929. Es una época que coincide con los tiempos en que
se descubrían los primeros secretos de la materia. Empezaban las teorías
sobre el comportamiento de las partículas relacionadas con la fuerza
débil, se profundizaban en los componentes del átomo (especialmente
en la teorización de lo que hoy se llama ‘fuerza fuerte’)...
etc. Una época intelectualmente muy ‘movida’...
Ó—: Un tiempo, amigos, en los que la audacia tuvo preeminencia
como rol intelectual dentro del mundo de la física...
F—: Más que nunca. En aquella época, por ejemplo, se plantearon
conceptos como el de la mecánica ondulatoria -¡fíjate!-,
o el principio de incertidumbre... ¡O el descubrimiento del espín
en los electrones, también!
Ó—: Se ha dicho, amigos, que aquella fue una de las épocas
más exótica y esotérica (‘exotérica’
la podríamos llamar, Francisco)... una de las épocas más
fascinante dentro de la física. Si miramos atrás, como si la historia
de la física fuera un cuento, encontramos a unos personajes -a estos
imaginativos científicos- que recurrieron a todo tipo de metáforas
para hacer más accesibles sus teorías...
F—: ...Como fue el caso del físico austríaco Erwin Schroedinger,
que apeló a la historia de unos ‘gatitos’ para exponer su
Principio de Indeterminación. Dicho principio afirma que las partículas
más pequeñas tienen un comportamiento que -a pesar del razonamiento
común- no es el más ‘intuitivo’ para las personas.
¡Cómo no iba a surgir en esta época la idea colorista de
‘antimateria’!
Ó—: Entonces, nos ubica un poco en el escenario donde Paul Dirac
estaba inserto cuando planteó sus hipótesis sobre las antipartículas...
O sea, Francisco, que donde había materia también podía
haber antimateria.
F—: Paul Dirac, concretamente, señaló que si el átomo
tenía partículas de carga negativas llamadas electrones, también
debía haber partículas que fueran 'electrones antimateria'...
Ó—: ...a los que se les llamó positrones...
F—: ...y que debían tener la misma masa que el electrón,
pero de carga opuesta, y que se aniquilarían al entrar en contacto, liberando
energía. Y el descubrimiento de Dirac fue tan revolucionario que le valió
el premio Nobel de física en el año 1933.
Pero el siguiente paso, Óscar, se dio en 1932, cuando Carl Anderson confirmó
la teoría de Dirac en un trabajo de experimentación. Anderson,
del Instituto Tecnológico de California, confirmó que existía
el positrón al hacer chocar rayos cósmicos.
Ó—: Y luego vino el antiprotón (si no recuerdo mal)... pero
tuvieron que pasar más de veinte años.
F—: Fueron necesarias dos décadas para dar otro salto, sí,
y llegó en 1955. Se descubrió el antiprotón, o sea, la
primera partícula especular del protón (que todos sabemos que
tiene carga positiva, en el núcleo del átomo). Los padres formaban
parte de un equipo de la Universidad de Berkeley: fueron los físicos
Emilio Segre, Owen Chamberlain -ambos ganadores del Nobel de física en
el 1959-, junto a Clyde Weingand y Tom Ypsilantis.
Ó—: El antiprotón, la segunda antipartícula en nacer
ante los ojos del ser humano. La primera, recordémoslo, había
sido el positrón -la ‘anti-criatura’ del electrón:
igual que éste pero de signo opuesto-.
F—: Y un año después de haberse descubierto el antiprotón,
y en las mismas instalaciones, otro equipo -formado por Bruce Cork, Oreste Piccione,
William Wenzel y Glen Lambertson- ‘ubicaron’ el primer antineutrón...
Ó—: ...la antipartícula del neutrón...
F—: ...exacto, la equivalente a la partícula de carga neutra de
los átomos. La carrera por las tres antipartículas básicas
- equivalentes a la neutra, la negativa y la positiva- estaba terminada: frente
a neutrón, electrón y protón, ya existían antineutrón,
positrón y antiprotón.
Ó—: Y fijaos que curioso, amigos de 'La luz de Atenea', porque
el siguiente paso lo iban a dar los soviéticos en los años sesenta.
Guerra Fría, como escenario, y lucha de cerebros en todos los ámbitos
-hasta en la física-. Porque en 1965 los soviéticos contaban con
el acelerador de partículas más poderoso del aquel momento, ¿verdad
Francisco?
F—: Sí. Fue en un trabajo encabezado por el físico León
Lederma. Los científicos soviéticos lograron detectar la primera
partícula compleja de antimateria, el antineutrino, formado por dos partículas
básicas. Posteriormente, usándose el mismo acelerador se detectó
el 'antihelio'.
Ó—:Increíble, amigos, ya no sólo anti-partículas
sino conjuntos de antimateria. Desde entonces, con relación a la física
de partículas, Europa ha estado en la vanguardia, ¿verdad?, con
los estudios dentro de aceleradores de partículas...
F—: Y el ejemplo más paradigmático es el CERN, el Centro
de Investigación de Alta Energía situado en Ginebra. Las instalaciones
se inauguraron en 1978, y ha permitido unos avances tecnológicos importantísimos.
Se ha podido crear, por ejemplo, el 'antitritio'; y en 1981 se realizó
en el CERN el primer choque controlado entre materia y antimateria...
Ó—: Y se comprobó la liberación de energía
prevista por Dirac...
F—: Exacto, fue una hipótesis valiosa: la cantidad de energía
liberada por el choque era enorme... ¿cuánto?
Ó—: ¡Sorpréndenos!
F—: ¡Ni más ni menos que mil veces superior a la energía
nuclear convencional!
Ó—: Materia y antimateria se encuentran, amigos, y se desintegran
ambas pudiendo explotar como una bomba atómica... Sobrecogedor.
F—: Pero, en este punto -Óscar-, los físicos se toparon
con ciertos contratiempos. Faltaba un ingrediente en la receta para generar
antiátomos . Ya hemos dicho que los físicos habían aisladas
las antipartículas del átomo (antineutrón, positrón
y antiprotón), pero faltaba un ingrediente que permitiera la combinación
de dichas antipartículas para producirlo.
Ó—: Y lo que precisamente faltaba era una fórmula: una fórmula
para cohesionar antiátomos. Tenemos ajo y aceite -amigos de "La
luz de Atenea- y lo que necesitamos es 'ligar' el ajoaceite... Las intrucciones
eran lo que les faltaba a los físicos, entonces, ¿no Francisco?.
F—: La dificultad radicaba, Óscar, en la velocidad con que se producen
las partículas de antimateria y sus violentas colisiones. Era necesario
contar con una fórmula que permitiera 'desacelerarlas', o sea, igualar
la velocidad de las partículas para unirlas. Y este interrogante fue
respondido -por una parte- por los trabajos de Stan Brodsky, profesor de física
de la Universidad de Stanford, y por otra por los estudios del ingeniero físico
chileno Iván Schmidt.
Ó—: Pero según tengo entendido, Francisco, el éxito
se logró finalmente aquí en Europa, en los aceleradores de partículas
del CERNE de Ginebra...
F—: Sí, y fue porque tuvieron que darse alianzas entre diferentes
grupos de investigación (y, cómo no, por la superioridad técnica
de los europeos). Hagamos una breve cronología histórica. En 1992
Brodsky y Schmidt publicaron sus trabajos de complejos: sugerían la fórmula
de un método para producir antiátomos, o sea, más o menos
como unir antielectrones y antiprotones. Pero el problema es que se requería
capacidad de experimentación. Entonces llegó Charles Munger, de
la Universidad de Chicago, y formó su propio equipo para realizar experimentos.
Por último, las publicaciones nortearnericanas y chilenas llamaron la
atención de físicos europeos del CERN, donde ya se formó
un equipo multinacional encabezado por Walter Oelert.
Ó—: El objetivo, no lo olvidemos, 'experimentar en la creación
de un antiátomo'. En la práctica había sido necesaria una
competencia científico-mundial para alcanzar el logro.... ¿Porque
se alcanzó, verdad Francisco?
F—: El 4 de enero de 1996, los científicos del CERN anunciaron
el éxito de haber obtenido en un proceso de experimentación...
no uno, ¡sino nueve antiátomos de hidrógeno! Y no se trataba
-Óscar- de partículas fundamentales (o de pequeñas combinaciones):
hablamos de lo que en propiedad son átomos de antihidrógeno.
Ó—: ¿Os dais cuenta, amigos, de la importancia de este hallazgo,
de esta creación? El átomo (como unidad ya dimensionalmente importante
de materia -capaz deformar moléculas y de ahí el tejido del universo-...)
¡ya tenía a su antiátomo! ¿Os imagináis el
fabricar el antitejido del Universo? Ilústranos, Francisco: ¿cuál
había sido el proceso?
F—: El método propuesto por Brodsky y Schmidt consistió,
básicamente, en hacer chocar un haz de antiprotones con un gas. La hipótesis
era que en dicho proceso se producirían pares de electrón-positrón.
Ahora recordemos que el positrón es la antipartícula del electrón.
Bueno: pues se supone que luego, una pequeña fracción de esos
positrones viajaría casi a la misma velocidad que los antiprotones, lo
que implicaría que los positrones sean capturados por un antiprotón...
Positrones y antiprotones finalmente juntos, hacen posible crear un antiátomo.
Ó—: Pero técnicamente fue necesario algo más: como
tú dijiste, la vida media de la antimateria es muy breve, pues se topa
con materia a su paso... y desaparece. En el CERN construyeron además
un detector de antimateria, para que no se les escapase, ¿no es así?
F—: El antiátomo de hidrógeno producido sólo duraba
10 segundos antes de encontrar materia y desintegrarser. Por eso, Brodsky y
Schmidt propusieron crear un campo magnético que detectase los antiátomos
entre todas las partículas que se generan en el proceso. La base del
ingenio fue ésta: como las partículas tienen cargas positivas
o negativas, describirán al atravesar el campo magnético una órbita
curva... Pero el antiátomo no, ya que su carga total es neutra: no será
afectado por el campo magnético, y saldrá en línea recta.
Ó—: Así que para detectar a los antiátomos basta
con seguirles el rasto, de distinguir sus recorridos rectilíneos.
F—: Tan sólo eso. Como resumen , diremos que el antihidrógeno
es el estado más simple del límite atómico de la antimateria
y, hasta el anuncio efectuado por el CERN en 1996, nunca antes había
sido observado experimentalmente. Se había logrado sintetizar un átomo
de antimateria -Óscar- desde sus antipartículas correspondientes.
Ó—: Amigos, es necesario que percibamos la importancia de este
antihidrógeno. El átomo de hidrógeno es uno de los sistemas
físicos más importantes para llevar a cabo medidas fundamentales
sobre el comportamiento de la materia ordinaria. Por tanto, la producción
de antihidrógeno abre las puertas para una investigación sistemática
de las propiedades de la antimateria, y la posibilidad única de comprobar
principios físicos fundamentales. ¿Puedes -Francisco- indicarnos
otras áreas de investigación sobre antimateria?
F—: En cosmología, por ejemplo, podemos prever que en un futuro
tengamos tecnologías para investigar con más precisión
la estructura del Universo. Se pretende llegar es a conocer las características
y las fuentes de emisión de antimateria en el cosmos. Para esto, precisamente
la NASA ha desarrollado un proyecto para la estación espacial Alpha:
un detector de antipartículas que se la ha denominado 'Espectrómetro
Alfa Magnético' (o 'AMS').
Ó—: La búsqueda de antimateria cósmica... ¿Una
especie de detector espacial?
F—: Sí. Está diseñado para detectar antimateria atómica.
Hasta ahora, sólo se han observado antipartículas. Pero se cree
que el Espectómetro podrá detectar antimateria entre las partículas
de los rayos cósmicos que bombardean La Tierra a la velocidad de la luz.
La mayor parte de las antipartículas provienen del Sol y también
de remanentes de estrellas que han explosionado en nuestra galaxia...
Ó—: ...Si no me equivoco, hasta ahora sólo se han detectado
las antipartículas más energéticas en lugares próximos
al centro de la Vía Láctea, o en fuentes más lejanas.
F—: En consecuencia, serán estos los últimos los blancos
que focalice el Espectómetro Alfa Magnético, cuando ejecute los
procesos de detección de antimateria atómica espacial.
Ó—:¿Algún otro campo de la ciencia, donde la antimateria
puede tener repercusiones importantes?
F—: Claro: no sólo en física la producción de antimateria
tiene ribetes de excepción. También en otras disciplinas podría
tener aplicaciones inmensas: como en la aerospacial (o, como ya se ha demostrado,
en medicina)... Podemos soñar -Óscar-con energía ilimitada
y barata; con motores para naves interestelares que podrían desarrollar
velocidades a más de un tercio la de la luz; mayor intensidad en la exploración
del espacio... Y, por supuesto, muchas otras cosas que por ahora pueden ser
consideradas ciencia ficción.
Ó—: Tengo datos -no actualizados- según los cuales el equipo
encabezado por Munger planeaba desarrollar unos cien antiátomos en laboratorio.
Lo anterior -Francisco- no significa que a corto plazo podamos contar con reactores
de materia-antimateria, o que pronto puedan unirse antiátomos para crear
antimoléculas... o yo qué sé... ¡crear anticosas!
¿Verdad?
F—: Sí, como decía mejor considerarlo -hoy por hoy- como
ficción. Ten en cuenta que para poder contar con un supercumbustible
de antimateria para viajes espaciales, hay todavía que pasar una multiplicidad
de obstáculos. El primero, encontrar un método para crear antiátomos
'en reposo', en vez de alta velocidades, para que no desaparezcan al chocar
con la materia. Luego, habría que producir 1020 de estos, por lo menos.
Lograrlo no es imposible... pero por ahora debe ser considerado a un largo plazo.
Ó—: ¿Y en cuanto a las 'anticosas', Francisco? (risas)
F—: Bueno, pues por lo que respecta a las “anticosas”....
yo creo que es mejor adherirse a la idea de que nunca se podrán crear.
Se escogió hacer un antiátomo de hidrógeno porque este
es el más simple de todos. Pero para producir moléculas de antiátomos,
sería necesario crear antiátomos muy complejos, y luego unirlos...
Lo cual en teoría es factible, pero en la práctica muy difícil.
Ó—: Bueno, pues ya habéis oído, amigos de la "La
luz de Atenea": si alguno de vosotros ya se había deleitado con
la idea de crear un 'antijefe' para vuestra oficina... para que colisione contra
el jefe y lo haga desaparecer... O (no sé): un 'anti-Bush', para esto
de lograr la paz mundial... Por el momento, olvidaos del tema, porque la antimateria
todavía está dando sus primeros pasos.
Hasta aquí ha llegado el programa de esta noche dedicado a 'la antimateria'.
En el control de realización estuvo Raúl Valenciano; en la mesa,
el profesor Francisco Rubio, del departamento de ingeniería mecánica
y materiales... Y, servidor, quien os habla: Óscar Delgado
F—: ¡Nos vemos aquí, en "La luz de Atenea"!