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.

Vista del laboratorio del proyecto ALPHA
(Cortesía de Maximilien Brice/CERN)

Esto no ha hecho más que empezar. El siguiente paso será capturar una mayor cantidad de átomos de antihidrógeno durante más tiempo para que se puedan estudiar en detalle sus propiedades. En principio se deberían comportar igual que los átomos de hidrógeno, pero nadie ha podido comprobarlo hasta ahora. Si se encontrase alguna diferencia entre materia y antimateria, nos ayudaría a entender lo que ocurrió poco después de la Gran Explosión. Puede que la antimateria guarde el secreto de la evolución del Universo.

Y, por último, una aclaración. Es verdad que cuando la antimateria entra en contacto con la materia se genera una gran cantidad de energía. Pero como la antimateria que existe en el Universo es muy escasa, antes tenemos que fabricarla. Y resulta que éste es un proceso poco eficiente: necesitamos aportar más energía para crearla, de la que obtenemos después cuando se aniquila. Por lo tanto, la antimateria no es una fuente de energía útil. Y aunque estuviésemos dispuestos a intentarlo, tendríamos otro problema. Al ritmo actual de producción necesitaríamos miles de millones de años para reunir apenas un gramo de antihidrógeno. Parece casi imposible que en el futuro vaya a existir un motor de antimateria como el que propulsa la nave espacial Enterprise de Star Treck. Y por los mismos argumentos, resulta igual de difícil que se pueda construir la bomba de antimateria que describe Dan Brown en su libro Ángeles y Demonios. Quizás en otro Universo en el que abunde la antimateria. Pero no en el nuestro.

Referencias:

1. P.A.M. Dirac, Quantised singularities in the electromagnetic field. Proc. R. Soc. Lond. A 133, 60-72 (1931).
2. G. Baur et al., Production of Antihydrogen, Physics Letters B 368, 251 (1996).
3. M. Amoretti et al., Production and detection of cold antihydrogen atoms, Nature 419, 456-459 (3 de octubre de 2002).
4. G. B. Andresen, et al., Trapped antihydrogen, Nature 468, 673–676 (2 de diciembre de 2010).

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