Atrapando la antimateria

Hace más de ochenta años, el físico inglés Paul Dirac predijo la existencia de algo que parecía más propio de la ciencia-ficción: la antimateria, es decir, partículas con las mismas propiedades que la materia que nos rodea, pero con carga eléctrica opuesta. Aunque su nombre sigue estimulando nuestra imaginación, la antimateria no tiene nada de fantástico. Los físicos conviven a diario con ella en los aceleradores de partículas, donde crear antimateria –y destruirla- se ha convertido en algo rutinario.

Pero hay que admitir que la antimateria es muy esquiva. En los experimentos, los científicos apenas consiguen ver trazas de antimateria durante una breve fracción de segundo antes de que desaparezca. Encontrar un método para “atrapar” antimateria y almacenarla está actualmente en el punto de mira de muchos grupos de investigación del mundo. Sería el primer paso hacia un objetivo más ambicioso: conocer su comportamiento y descubrir si existe alguna diferencia con la materia ordinaria.

La ecuación de Dirac

En la década de 1920, los físicos no conseguían describir con exactitud el comportamiento de los electrones en el interior del átomo. El problema era que las ecuaciones de la mecánica cuántica, que se encargaba de los fenómenos a escala subatómica, se basaban en la vieja mecánica de Newton. Ésta era muy útil para sistemas en los que las velocidades son mucho más pequeñas que la de la luz, como ocurre en nuestra vida cotidiana. Pero no servía en el caso de las partículas subatómicas, como el electrón, que viajaban a grandes velocidades. Entonces había que acudir a la teoría especial de la relatividad de Einstein, que explicaba lo que sucedía cuando los cuerpos se movían a velocidades cercanas a las de la luz.

Al comprender la existencia de la
antimateria, Dirac dijo de su ecuación
que era "más lista que él".

En 1928, Paul Dirac logró combinar la relatividad y la cuántica, obteniendo una ecuación que describía con precisión el electrón. Pero había algo más: la ecuación de Dirac predecía¹ también la existencia de una partícula con las mismas propiedades que el electrón, pero con carga positiva. En 1932, el científico estadounidense Carl Anderson comprobó la existencia de la antipartícula del electrón, el llamado positrón, en los rayos cósmicos –radiación y partículas que provienen de lo más profundo del Universo. Y de la misma manera que existía una antipartícula para el electrón, debería existir también para el resto de partículas conocidas. Esas antipartículas podrían formar lo que se llamaría antimateria, igual que las partículas ordinarias componen la materia que nos rodea.

El origen de la antimateria

Para entender de dónde surgió la antimateria, debemos retroceder 13.700 millones de años, cuando toda la energía del Universo estaba concentrada en un único punto minúsculo. Entonces se produjo lo que hoy se llama Big Bang (o Gran Explosión), una catastrófica explosión que inició la expansión del Universo. A medida que crecía, el Universo se fue enfriando y parte de esa energía comenzó a transformarse en materia y antimateria.

Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se aniquilan y se transforman en energía. Si la Gran Explosión hubiera sido absolutamente simétrica, se habrían generado el mismo número de partículas y antipartículas, que luego se habrían destruido formando más energía, y así hasta acabar con toda la materia y antimateria. Lo repito, para que quede claro: toda la materia y antimateria del Universo se debería haber destruido mutuamente. Si estás leyendo estas líneas significa que eso no ocurrió así. Por algún motivo que se desconoce, el equilibrio entre materia y antimateria se decantó a favor de la materia. Se calcula que por cada mil millones de antipartículas se formaron mil millones más una partículas. Así que por cada mil millones de pares partícula-antipartícula que se aniquilaron, quedó una solitaria partícula sin pareja de baile. Puede parecer insignificante, pero ahí empezó el mundo tal y como lo conocemos hoy: estas partículas fueron las que luego se unieron para formar los primeros átomos, estrellas y galaxias.

Un átomo de hidrógeno y su  correspondiente 
antiátomo, en el que se cambian las
 partículas por antipartículas.

Los científicos sospechan que la causa de este desequilibrio entre materia y antimateria es que ambas se comportan de distinta manera. Es decir, las leyes físicas para una y para otra no son exactamente las mismas. Una forma de comprobarlo sería considerar el átomo más sencillo y abundante del Universo, que es el hidrógeno -un electrón, de carga negativa, dando vueltas alrededor de un protón, de carga positiva-, estudiar el comportamiento de su antiátomo correspondiente, que es el antihidrógeno, y comparar ambos.

Trampas para antimateria

En los últimos quince años los científicos^2,3 han perfeccionado las técnicas para crear átomos de antihidrógeno. Básicamente, lo que hacen es producir por separado positrones –los emiten de forma natural diversas sustancias radiactivas- y antiprotones -se generan en los aceleradores de partículas-, y luego los enfrian mediante diversas técnicas. Al enfriarlos, las antipartículas se frenan, y entonces pueden mezclarse en las llamadas trampas de Penning. Estas trampas son recipientes donde se crean campos electromagnéticos en su interior que impiden que las antipartículas entren en contacto con la materia ordinaria y se destruyan. Antes de usarse se extrae por bombeo todo el aire del núcleo de la trampa para que no quede ni un solo átomo de aire. Estas trampas son tan efectivas que pueden almacenar millones de antipartículas durante meses.

Una trampa de Penning
(Cortesía de GSI Helmhotzzentrum
für Schwerionenforschung GmbH)

El almacenamiento del antihidrógeno, sin embargo, es otra historia. Cuando un positrón y un antiprotón se combinan para formar un átomo de antihidrógeno, la carga de uno compensa a la del otro y, como ocurre con el átomo de hidrógeno cotidiano, su carga eléctrica total es cero. Al ser eléctricamente neutro, el preciado átomo de antihidrógeno ya no se ve afectado por el campo del interior de la botella y se escapa a toda velocidad de la trampa, perdiéndose para siempre.

¿Cómo se puede remediar esta situación? Aunque el átomo de antihidrógeno no tiene carga eléctrica neta, sí es sensible a un campo magnético puro. Esto se debe a una propiedad de las partículas subatómicas que se llama espín. Aprovechándose de esto, los científicos han diseñado un complejo campo magnético en el interior de la trampa para capturar los átomos de antihidrógeno que intentan escapar. 

En definitiva, primero se producen las antipartículas. Luego se enfrían y se frenan. A continuación se atrapan mediante un campo electromagnético y se les "invita" a que formen átomos de antihidrógeno. Ya por último, los átomos de antihidrógeno que se han creado, y que el campo electromagnético no puede retener, son atrapados por un campo magnético, mientras el resto de antipartículas escapan de la trampa.

¡Atrapados!

Todo esto puede parecer muy complicado…y ciertamente lo es. Hasta hace pocos meses no se había logrado capturar un solo átomo de antihidrógeno. Finalmente, el 18 de noviembre de 2010 los científicos⁴ del proyecto ALPHA del CERN anunciaron que habían conseguido atrapar por primera vez 38 átomos de antihidrógeno durante apenas dos décimas de segundo. Y para ello tuvieron que generar 10 millones de antiprotones y 700 millones de positrones. Fue un logro histórico, calificado por la revista Physics World como el avance más importante del 2010.

Un metamaterial de récord

Investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología en Corea han publicado¹ esta semana su última creación: un nuevo metamaterial con el índice de refracción más grande jamás conseguido. Los científicos coreanos han elevado el récord hasta un increíble 38,6. El metamaterial en cuestión es un polímero con inserciones de aluminio y sus creadores piensan que podría tener importantes aplicaciones en el diagnóstico de cáncer o en controles de seguridad.

¿Se ha doblado el lápiz al meterlo en el agua? Noooo, 

son los rayos de luz los que se desvían al pasar del 

agua al aire —se refractan— y nos hacen creer que el 

lápiz está torcido (dominio público).

El índice de refracción se utiliza para describir cómo se desvía la luz al atravesar un material y se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en ese material. Ya que la luz en el vacío alcanza la velocidad más alta que se puede conseguir en la naturaleza, el índice de refracción de cualquier material siempre es mayor que uno (en el caso del vacío, por la propia definición, es igual a uno).  La mayoría de sustancias se mueven en unos valores comprendidos entre uno y tres –el agua, por ejemplo, tiene 1,33 y el diamante 2,42-, con algunas excepciones, como el silicio, que casi llega a cuatro (3,96).

Si estos son los valores habituales de los índices de refracción, ¿cómo se ha podido alcanzar ese número tan enorme? La respuesta está en los metamateriales.

Más allá de los materiales

Los llamados metamateriales no se encuentran en la naturaleza. Son materiales creadas en el laboratorio, de forma artificial, a partir de elementos naturales, como oro, cobre, silicio o aluminio. El gran secreto de los metamateriales es que los científicos disponen estos elementos de manera minuciosa a escalas minúsculas, cientos de veces más pequeñas que el grosor de un pelo. De esta manera pueden manipular la luz en el interior de un metamaterial y conseguir que se comporte de forma distinta a como lo haría espontáneamente. La estructura del metamaterial, más que su composición, es la que determina sus propiedades ópticas.

Un ejemplo de metamaterial hecho a base de fibra
de vidrio con celdas de cobre de 5 mm de lado
(domino público).

En este caso, los investigadores coreanos han dispuesto celdas cuadradas de aluminio de algo menos de 60 µm de lado (un micrómetro es la millonésima parte del metro) formando un entramado cuadrado con una mínima separación entre una celda y su vecina. También han trabajado con oro en vez de aluminio, han modificado las dimensiones de las celdas y han superpuesto varias capas con esta disposición. En todos los casos han conseguido índices de refracción inusualmente altos, pero sin batir el récord de la configuración original.

Las extraordinarias propiedades del metamaterial no se manifiestan para cualquier tipo de luz, sino únicamente para la llamada radiación de terahertz, un tipo de ondas electromagnéticas que nuestros ojos no ven. En la naturaleza hay otros muchos tipos, como los rayos gamma, los rayos X, la radiación ultravioleta y las ondas de radio. La luz visible también es otra de ellas. Todas viajan a la velocidad de la luz, pero tienen propiedades físicas distintas. En particular, la radiación de terahertz presenta algunas características que la hacen muy interesante: atraviesa ropa, papel y plásticos, pero no metal y agua.

Aplicaciones potenciales

Una de las posibles aplicaciones de la radiación de terahertz serviría para detectar cáncer de piel que no sea visible al ojo humano. Como el tejido canceroso tiende a tener un contenido acuoso más alto que el tejido sano, la radiación de terahertz podría usarse para distinguir entre ambos. Sería una alternativa eficaz y no invasiva a las técnicas tradicionales de detección de este tipo de tumores.

La radiación de terahertz también podría utilizarse en los controles de seguridad para descubrir armas metálicas, evitando muchas de las falsas alarmas de los detectores actuales. Incluso podría determinar la composición química de compuestos, fundamental para detectar, por ejemplo, sustancias explosivas o drogas. Además, las últimas técnicas de seguridad desarrolladas hasta ahora, que usan rayos X para los escáneres corporales, tienen el inconveniente de que este tipo de radiación conlleva un riesgo para la salud. En cambio, la radiación de terahertz podría usarse sin peligro.

Los investigadores coreanos confían en que su flamante metamaterial ayude a hacer realidad alguna de las potenciales aplicaciones de la radiación de terahertz. El récord, eso sí, ya lo tienen en el bote.

NOTA: Esta entrada participa en la XVI Edición del Carnaval de la Física, cuyo anfitrión es tecnoloxia.org.

Referencias:

1. Muhan Choi, Seung Hoon Lee, Yushin Kim, Seung Beom Kang, Jonghwa Shin, Min Hwan Kwak, Kwang-Young Kang, Yong-Hee Lee, Namkyoo Park & Bumki Min, A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index. Nature 470, p. 369–373.

Física, matemáticas y viceversa

Hay una anécdota que me fascina desde que la leí hace ya algunos años. Se juntan varios factores: en primer lugar, por el escenario en que se desarrolla –un congreso de física que hizo historia-; luego, por los personajes “implicados”, como diría un amigo mío –dos científicos extraordinarios cuyos nombres me reservo de momento por aquello de la intriga-; y, finalmente, por la propia anécdota, un breve pero intenso intercambio de opiniones sobre física y matemáticas que no tiene desperdicio. Veamos lo que se cocinó con estos ingredientes.

Vamos a empezar por situarnos en Bruselas, 1911. Allí tuvo lugar, entre el 30 de octubre y el 3 de noviembre, el primer Congreso Solvay, una reunión de científicos de todo el mundo costeada por Ernest Solvay, un químico industrial belga que había hecho fortuna al desarrollar un método para fabricar el bicarbonato sódico. El objetivo del Congreso era analizar la situación de la física, que por aquel entonces vivía un periodo convulso. Diversos experimentos demostraban que la teoría que se había utilizado hasta entonces para explicar el comportamiento de la materia –lo que hoy conocemos como teoría clásica-, no valía cuando se penetraba en el interior de las cosas. Esta contradicción se resolvía admitiendo que el mundo subatómico funcionaba de una manera completamente distinta a lo que dictaba el sentido común. Esas extrañas reglas formaban la llamada teoría cuántica.

Fotografía del Congreso en el Hotel Metropole. Sentados, de izquierda a derecha: W. Nernst, M. Brillouin, E. Solvay (mecenas), H. Lorentz, E. Warburg, J. Perrin, W. Wien, M. Curie y H. Poincaré. De pie, de izquierda a derecha: R. Goldschmidt, M. Planck, H. Rubens,A. Sommerfeld, F. Lindemann (secretario), M. de Broglie (secretario), M. Knudsen, F. Hasenöhrl, G. Hostelet, E. Herzen, J.H. Jeans, E. Rutherford, H. Kamerlingh Onnes, A. Einstein y P. Langevin. (Dominio público)

Presentación informal

Bueno, bueno, bueno. Me ha costado mucho decidirme, pero aquí estoy. ¡Por fin he abierto un blog! En principio, mi intención es dedicarlo a la divulgación de la ciencia, aunque todavía no tengo muy claro los detalles. Soy físico, así que sospecho que la física tendrá un peso importante. Pero también me encantan las matemáticas y la química, me fascina la biología, la medicina…Hay material jugoso donde elegir. La idea inicial es rescatar pasajes y anécdotas de la historia de la ciencia que no sean muy conocidas. También me gustaría comentar las novedades científicas, aunque seguramente no al ritmo que lo hacen otros blogs especializados. O lo que se me vaya ocurriendo, ¡que para eso es mi blog! Claro que tener un blog también conlleva una responsabilidad (y yo soy una persona muuuy responsable). Eso sí, tampoco quiero engañaros: escribo a ritmo de tortuga y no tengo mucho tiempo libre. Así que no sé con qué frecuencia podré actualizarlo. ¿Seré capaz de escribir una entrada al mes? ¿O quizás dos? ¿Lo abandonaré antes de haber empezado?

Buscando un título adecuado para el blog, se me vino a la cabeza el nombre de “La Aventura de la Ciencia”. No era demasiado original, la verdad; sonaba más bien sobrio. Muy de mi estilo, en realidad. Entonces se me ocurrió coger un diccionario y buscar la definición exacta de aventura, a ver si eso me decantaba a favor o en contra. La tercera acepción decía lo siguiente: “Empresa de resultado incierto o que presenta riesgos”. ¡Justo en el clavo! Embarcarse en una aventura es lo que hacen los científicos cuando investigan. Algo parecido, pero más modesto, iba a hacer yo al abrir mi blog. Una vez decidido el nombre, me crucé con una frase de Albert Einstein que me gustó, así que la añadí a modo de subtítulo. (En realidad, hay muchas frases del tito Albert que me gustan, pero me quedé con ésa.)

Después de pasar varias tardes peleándome con las herramientas de Blogger –tiene grandes ventajas, pero también algunas limitaciones-, conseguí que el aspecto del blog fuese más o menos presentable. Ya sólo me faltaba encontrar el tema de la primera entrada. No era una cuestión menor, pues, como se suele decir, la primera impresión es la que cuenta. Quería que fuese algo especial, distinto, que enganchase al lector. Unas intenciones muy nobles que no consiguieron el efecto deseado. Más bien al contrario: después de diversos intentos, no logré encontrar el tema y el tono adecuados. Estaba bloqueado y necesitaba un empujón.

Por suerte, en los últimos tiempos me he puesto al día con respecto a los blogs de divulgación científica en español (muchos y muy buenos, por cierto). En uno de ellos descubrí el llamado Carnaval de Matemáticas, una iniciativa de Tito Eliatron Dixit, si no me equivoco, en la que, una vez al mes, los blogueros interesados escriben artículos divulgando las matemáticas. Luego me enteré que también existía el correspondiente Carnaval de la Física. Entonces me dije, ¿por qué no escribir una entrada que hablase de física y matemáticas para participar en ambos carnavales, y matar dos pájaros de un tiro? Eso sí que sería empezar a lo grande…