EL GRAN MISTERIO DE LA ANTIMATERIA
Antielectrones, antiprotones y antineutrones son los componentes de una realidad en negativo que, teóricamente, formaba la mitad del universo tras el big bang pero que ahora solo se puede fabricar en laboratorio. ¿Qué ocurrió con el gemelo escondido de la
“La antimateria trae consigo el caos y la destrucción... El CERN está construyendo el reino del anticristo, el infierno en la Tierra”. De esta forma se expresaba una tal Emily en un artículo publicado recientemente en la web fundamentalista cristiana The Christian Truther. Pero ¿qué es lo que ha hecho el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, con sede en Ginebra, para que lo acusen de traer el mismísimo averno al planeta? Pues el hito de haber obtenido, por primera vez en la historia y después de décadas de esfuerzo experimental, el espectro del átomo de antihidrógeno; o sea, la foto de la luz que absorbe el clon, en negativo, del hidrógeno. Para entender lo que significa este logro, debemos retroceder noventa años.
La teoría cuántica, la que explica el extraño comportamiento de las partículas subatómicas, conoció sus años dorados entre 1924 y 1927, pero todavía quedaba mucho por hacer. No se sabía, por ejemplo, cómo incorporar al cuadro la relatividad especial de Einstein, que describe lo que sucede cuando viajamos a velocidades cercanas a la de la luz.
El 24 de octubre de 1927 comenzó en Bruselas el quinto Congreso Solvay –un ciclo de conferencias científicas inaugurado en 1911–, titulado “Electrones y fotones”. Se convertiría a la postre en el más importante de la historia de la física: diecisiete de los veintinueve asistentes eran o iban a ser premios Nobel. Aunque el título no reflejaba la verdadera intención del encuentro, que era dirimir el camino al que conducía la revolución cuántica. Y, como apostillaría el danés Niels Bohr (1885-1962), “ver cuál era la reacción de Einstein a los últimos avances”.
Allí acudió Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), un joven físico británico a quien las discusiones filosóficas del congreso sobre cómo interpretar la teoría cuántica le dejaban frío. Porque su objetivo era más concreto: obtener una formulación relativista para el comportamiento del electrón, planteado como un problema matemático. Para Dirac, incluir la relatividad especial exigía que el tiempo entrara en la ecuación en pie de igualdad con las tres dimensiones espaciales, esto es, largo, alto y ancho. La introducción de un espacio-tiempo tetradimensional en la teoría cuántica proporcionaba un cuarto grado de libertad al electrón que, sin mucho esfuerzo, Dirac identificó con una peculiar característica llamada espín.
UN BAILE ELECTRÓNICO LIMITADO A SOLO DOS MOVIMIENTOS
Para visualizarlo, los físicos imaginaron al electrón como una pequeña esfera que rotaba sobre sí misma, al estilo de los planetas. Pero aquí termina la analogía, porque el espín de la partícula subatómica solo puede tomar dos valores, asignados arbitrariamente como +½ y -½. Fuera lo que fuera, esta propiedad
no tenía paralelo con la física clásica. Aunque su interpretación sigue siendo oscura, sabemos que en presencia de un campo magnético puede alinearse en dos direcciones: arriba y abajo.
Todo el mundo estaba de acuerdo en que Dirac había logrado integrar la relatividad en la teoría cuántica. Sin embargo, había un inconveniente: las dos posibles orientaciones del espín suponían solo la mitad de las soluciones, porque, para que encajaran los cálculos, el electrón debería poder pasar de su estado normal de energía positiva y carga eléctrica negativa a otro de energía negativa y carga eléctrica positiva. Y nadie había observado semejante transición.
COMO NO INTERACCIONAN, NO HAY FORMA DE SABER QUE ESTÁN AHÍ
En diciembre de 1929, Dirac perfiló una explicación. Supongamos, dijo, que en el universo existe un mar de energía negativa totalmente ocupado por electrones. No hay forma de saber que están ahí porque no interaccionan con nada: son como el telón de fondo de un teatro sobre el que se mueven los actores, que es nuestro mundo de energía positiva. Pero puede darse el caso de que uno de esos electrones del lado oculto salte, dejando tras de sí un especie de agujero de energía negativa. ¿Y cómo veríamos ese hueco? En nuestros instrumentos de medición aparecería como una partícula con carga eléctrica positiva. Dirac primero pensó que su aspecto sería el del protón, pero sus colegas le señalaron que el electrón tenía una masa dos mil veces más pequeña, luego era imposible que al escapar del océano tenebroso dejara tras de sí un boquete dos mil veces más pesado. En 1931, el matemático británico admitió que “estamos ante un nuevo tipo de partícula, totalmente desconocida para la física”.
Expresémoslo de otro modo: el cosmos está lleno de electrones con energía negativa, invisibles a nuestros detectores hasta que un fotón muy energético golpea uno de ellos y lo trae a nuestro mundo. En ese instante se produce una oquedad que se comporta como una partícula gemela, aunque con carga positiva: el positrón. Es el proceso que se conoce como creación de pares. En sentido inverso, cuando un electrón cae y rellena ese agujero, emite dos o tres fotones gamma, y lo vemos como una desintegración con el positrón.
LAS PRIMERAS ANTIPARTÍCULAS SE DETECTARON EN RAYOS CÓSMICOS
No es algo fácil de tragar, pero es la única interpretación que se manejó hasta que, dos décadas después, el inigualable Richard Feynman (1918-1988) propuso la suya. En 1949 se hizo la siguiente pregunta: ¿cómo veríamos un electrón retrocediendo hacia el pasado? La respuesta, sorprendente, es que sería como un positrón viajando al futuro. Por tanto, afirmó, este último no es más que un electrón yendo hacia atrás en el tiempo.
Pero, al margen de la teoría, ¿sería posible registrar la antimateria experimentalmente? Pronto se salió de dudas. En 1932, el norteamericano Carl David
DIRAC SE LO IMAGINÓ COMO UN TELÓN DE FONDO DE ENERGÍA NEGATIVA
Anderson (1905-1991) detectó los primeros positrones en experimentos con rayos cósmicos, esa lluvia de fotones y otros tipos de partículas que generan las tremendas deflagraciones del universo.
Hoy, la palabra antimateria nos hace pensar en naves espaciales viajando a toda velocidad por la galaxia y extrañas razas de alienígenas. Aunque no es fácil de imaginar, podemos definirla como la imagen especular, o invertida, de la materia. Los físicos distinguen una partícula de otra del mismo modo que nosotros diferenciamos las frutas, por propiedades como el tamaño, el color, el olor y el sabor.
En el ámbito subatómico, manejamos otros rasgos: la masa, la carga, el momento angular y el momento magnético. Los dos primeros resultan fáciles de entender, pero no los dos últimos. Simplificando, podemos equiparar momento angular a la rotación y momento magnético a que las partículas –supuestas esferas– se comportan como imanes, con un polo norte y un polo sur magnéticos.
TRES INGREDIENTES PARA CREAR UN ÁTOMO DE ANTIHIDRÓGENO
Entonces, ¿qué es un antielectrón o positrón? Su primer rasgo distintivo es que tiene carga positiva en lugar de negativa. E igual que ocurre cuando vemos girar un balón en el espejo, su rotación o momento angular también está trastocado. Esto le obliga a tener intercambiados sus polos norte y sur respecto al electrón, pero, como la carga también está invertida, el momento magnético permanece invariable.
Lo mismo sucede con el protón y su correspondiente antiprotón, aunque no con el neutrón. Como esta última partícula subatómica no tiene carga, la única inversión posible afecta a sus polos magnéticos. Y ya tenemos las tres piezas necesarias para construir la antimateria: un antiprotón y un positrón forman el átomo de antihidrógeno.
La característica más importante de esta realidad alternativa causa perplejidad: cuando una partícula y su antipartícula entran en contacto, se aniquilan mutuamente. La destrucción de un solo gramo produce tanta energía como la liberada por la bomba de Hiroshima. Y al revés: si tenemos energía suficiente podemos crear una partícula y su correspondiente antipartícula, como se consigue en los aceleradores. En ellos se han hecho colisionar electrones y positrones a velocidades cercanas a la de la luz –desde 1987– o se fabrican átomos de antihidrógeno, hito alcanzado por el CERN en 1995.
Y el pasado mes de diciembre, la misma institución obtuvo un “resultado asombroso”, según Alan Kostelecky, físico teórico de la Universidad de Indiana (EE. UU.): el espectro de absorción de luz –una especie de huella dactilar– del antihidrógeno. Lo relevante es que al ser idéntico al del hidrógeno corrobora la teoría de la relatividad especial.
EL CONTACTO CON LA MÁS ÍNFIMA PIZCA DE MATERIA LA DESTRUYE
Debemos ser conscientes de lo complicado de este logro: la antimateria se aniquila completamente al contacto con la cantidad más insignificante de materia. Los responsables del experimento ALPHA-2 encerraron 1,6 millones de positrones y 900.000 antiprotones en los extremos opuestos de una trampa electromagnética para liberarlos después. De forma natural, se formaron 25.000 átomos de antihidrógeno cada quince minutos. Ahora bien, la mayoría se movía demasiado deprisa para ser útil.
Solo perfeccionar la técnica que selecciona los átomos lentos les llevó varios años de trabajo. Después había que medir la frecuencia de la luz emitida por esa transición del antihidrógeno, lo que hicieron con una precisión de dos partes por billón, según han contado los científicos en la revista Nature. El éxito ha sido fruto de más de dos décadas de esfuerzos.
El mundo de la antimateria encierra muchos misterios, pero el más intrigante de todos estriba en explicar por qué
no existe de manera natural. Según el modelo estándar, con el big bang surgió tanta cantidad de materia como de su contrapartida, pues la conversión de la energía exige que de un fotón se forme una partícula y su antipartícula. Ahora bien, si este 50-50 fuera exacto no estaríamos aquí: los contrarios se habrían destruido entre sí.
¿EXISTE UN UNIVERSO PARALELO DE ANTIESTRELLAS Y ANTIPLANETAS?
Ante semejante escenario solo caben dos soluciones. La primera plantea que nuestro universo esté dividido en dos partes, una con estrellas y planetas y la otra con antiestrellas y antiplanetas. Pero este argumento tiene un grave inconveniente: la frontera entre ambos cosmos debería ser visible por las continuas explosiones que allí se producirían. La única salida posible es que hubo un pequeñísimo desequilibrio a favor de la materia al principio de los tiempos.
En 1967, el científico Andréi Sájarov –famoso disidente y padre de la bomba H soviética– demostró que la única forma de eludir el problema era que no se cumpliera la llamada simetría CP. Esta asegura que si a una partícula le cambiamos su carga y su paridad –derecha por izquierda– se sigue comportando igual. Solo si tal cosa no sucediera podríamos justificar que haya galaxias, estrellas y planetas.
Poco después se registró una pequeña laguna en la simetría CP: la teoría electrodébil, que unifica bajo una única formulación el electromagnetismo y la fuerza débil –la responsable de un tipo de desintegración radiactiva–, la incumplía. Por desgracia, ese grado de desfase no era para tirar cohetes: el universo solo contendría materia suficiente para llenar una galaxia.
Un trabajo publicado en la revista Nature Physics el pasado 30 de enero arrojaba nueva luz en el enredo. Otro experimento del CERN, el LHCb, ha observado lo nunca visto en un acelerador: la formación y desintegración de una partícula llamada barión lambda fondo y su an- tibarión. Según el modelo estándar, esta pareja debería comportarse exactamente igual, pero los datos obtenidos apuntan a diferencias ¡de hasta el 20 %! Y esto ya es harina de otro costal. De confirmarse el resultado mediante una tanda más amplia de ensayos, quizá nos coloquemos en el buen camino para comprender por qué demonios hay materia –y tanta– en el universo.
AL PRINCIPIO DE LOS TIEMPOS, HUBO QUIZÁ UN DESEQUILIBRIO A FAVOR DE LA MATERIA