antimateria-el-otro-lado-del-espejo

el otro lado del espejoDaniel Martín ReinaVarios años después de viajar al Paísde las Maravillas, el escritor inglés LewisCarroll retomó el personaje de Alicia enel libro A través del espejo y lo que Aliciaencontró al otro lado, escrito en 1871. Lahistoria comienza con Alicia sentada enel sofá de su sala, meditando sobre lo queella llama la casa del espejo. Por extrañoque parezca, Alicia está convencida deque al otro lado del espejo que hay encimade la chimenea existe un mundo tan realcomo el de su sala, sólo que las cosasestán dispuestas a la inversa. Los libros,por ejemplo, se parecen a los suyos, perocon las letras escritas al revés. El humoque sale de la chimenea es el mismo queel que sale del otro lado, aunque Aliciano puede ver si ahí también encienden elfuego en invierno.Pero lo que más intriga a Alicia es loque se intuye cuando ella deja abierta la10 ¿cómoves?

-electrón+protónpositrón-antiprotón+HidrógenoAntihidrógenomarse en partículas y antipartículas. Esodebió ocurrir cuando ni siquiera habíatranscurrido una billonésima de segundodesde el Big Bang.Fue el único momento en que materiay antimateria coexistieron de forma natural.Cuando una partícula se encuentra consu antipartícula, las dos se aniquilan y setransforman en radiación. En principio, elBig Bang debería haber generado el mismonúmero de partículas y antipartículas,que se habrían destruido mutuamentehasta convertir el Universo en nada másque pura radiación. Podemos estar segurosque eso no ocurrió, porque en tal caso noestaríamos aquí para contarlo. Por algúnmotivo desconocido, el equilibrio entremateria y antimateria se decantó a favor dela materia. Se calcula que por cada 1 000millones de antipartículas, se formaron1 000 millones más una partículas. Esdecir, por cada 1 000 millones de parespartícula-antipartícula que se aniquilaron,hubo una afortunada partícula que sesalvó. La diferencia puede parecer insignificante,pero ahí empezó a formarse elUniverso tal y como lo conocemos hoy:estas partículas supervivientes se unieronluego para formar los primeros átomos,que más tarde constituirían las primerasestrellas y galaxias.antiprotonesdetector deaniquilamientoelectrodosAniquilación de un átomo de antihidrógeno en el experimento ATHENA.Los científicos sospechan que la causade este desequilibrio entre materia y antimateriaes que ambas se comportan dedistinta manera y que, por tanto, las leyesfísicas para una y otra no son exactamentelas mismas. Esto sería algo extraordinario,tan sorprendente como lo fue para Aliciadescubrir que su salón y la casa del espejoeran diferentes.¿Cómo comprobarlo? Una manera seríacrear un átomo de antihidrógeno —quees el más simple de todos, formado por unantiprotón y un positrón—, estudiar susimanes espejooctupolo magnéticopositronesDentro de la trampa de Ioffe del experimento ALPHA los antiprotones y positrones se juntan paraformar antiátomos de carga neutra. Éstos pueden ser atrapados con un campo magnético externo.propiedades físicas y luego comparar losresultados con los del átomo de hidrógeno,que conocemos tan bien.Producción de antimateriaLa producción de antipartículas comopositrones y antiprotones se ha convertidoen algo rutinario en los aceleradoresde partículas. Pero juntar estas antipartículasy formar átomos de antimateriaes mucho más difícil, ya que cualquiercontacto con la materia ordinaria tienedesastrosas consecuencias. Los primerosintentos se remontan a principios dela década de 1990. El método consistíaen hacer pasar un antiprotón muy velozcerca de un núcleo atómico pesado, porejemplo, xenón, lo que de tanto en tantocreaba un par electrón-positrón. En estehipotético caso, el antiprotón podía unirsecon el positrón y formar un átomo deantihidrógeno, aunque esto era todavíamenos frecuente que lo anterior. Fue unlogro enorme que unos investigadoresdel CERN (Organización Europea deInvestigaciones Nucleares), en Ginebra,consiguieran en 1995 crear así los primerosnueve átomos de antihidrógeno. El pro-Imagen: © CERN12¿cómoves?

En el Experimento Antiprotón de Células (ACE, Antiproton Cell Experiment) del Desacelerador deAntiprotones (AD) del CERN, un antiprotón aniquila un protón en el núcleo de una célula cancerígenaproduciendo un par de rayos gamma, destruyendo la célula.blema de esta técnica, además de ser muypoco eficiente, es que el antihidrógeno sefabrica a velocidades cercanas a las de laluz, por lo que no había ninguna posibilidadde estudiar sus propiedades antes deque los antiátomos desaparecieran.A principios de la década de 2000, elexperimento ATHENA del CERN producíapor separado positrones —a partir dediversas sustancias radiactivas, como elflúor o el sodio— y antiprotones —en losaceleradores de partículas—. Como losátomos de antihidrógeno no se puedenenfriar de la manera convencional —porejemplo, con helio líquido— porque seaniquilarían al entrar en contacto conél, deben crearse ya con poca energía, ocomo dicen los físicos, fríos. Y su energíadepende principalmente de la energíade los antiprotones incidentes, pues sonmucho más masivos que los positrones.Cuanto más fríos estén los antiprotones (esdecir, cuanto más lentos sean), más fácilserá luego crear y capturar los átomos deantihidrógeno.Con esta idea se construyó el llamadoDesacelerador de Antiprotones (AD, porsus siglas en inglés), un anillo en el quese colocaban diversas láminas llamadasdegradadores. Los antiprotones se hacíangirar por el anillo y chocar con los átomosde las láminas; los que no se aniquilaban,se frenaban a un 10% de su velocidadinicial.Los antiprotones que salían del ADse mezclaban con los positrones en unas“botellas” electromagnéticas llamadastrampas de Penning. Estas trampas sonrecipientes de donde se extrae por bombeoFoto: © M. Brice; C. Lee / CERNtodo el aire del interior y se rodean conhelio líquido, el cual se mantiene a unatemperatura de apenas 4 kelvin (-269º C).En el núcleo de la trampa se crean camposelectromagnéticos que facilitan la uniónEs cierto que la antimateria escasea ennuestro universo, pero eso no significaque sea algo tan raro y exótico comopueda parecer. Los físicos crean y destruyenantipartículas a diario desde hacedécadas. Y en los hospitales se utilizala antimateria en una técnica de imagenmédica muy importante: la llamada tomografíapor emisión de positrones (PET, porsus siglas en inglés).de las antipartículas y, al mismo tiempo,impiden que entren en contacto con lasparedes de la trampa.Gracias a los antiprotones fríos y a latrampa de Penning, el equipo ATHENAconsiguió en 2002 crear átomos de antihidrógenodurante sólo unos microsegundos.Fue tan breve porque al formarse elátomo de antihidrógeno, la carga de unaantipartícula compensa la de la otra y,como ocurre con el átomo de hidrógenocotidiano, su carga eléctrica total es cero.Sin carga, los campos eléctricos y magnéticosdel interior de la botella ya no tienenefecto sobre él y se escapa, perdiéndosepara siempre. Las trampas de Penningson muy útiles a la hora de crear átomosde antihidrógeno, pero no sirven paratenerlos quietos.La trampa dentro de la trampaHabía que pensar en otra estrategia paraatrapar los átomos de antihidrógeno. ConLa antimateria en nuestra vida diariaLa tomografía es una técnica quepermite tomar imágenes del cuerpo encortes. En el caso de la PET se consiguegracias a la radiactividad de determinadoselementos, que emiten positronesde manera natural; el más utilizado esel flúor-18. Estos elementos radiactivostienen una vida media corta, de unos 10minutos, lo que significa que transcurridoese tiempo la cantidad de dicho elementose reduce a la mitad. La muestra radiactivase introduce en el cuerpo del paciente,normalmente por vía intravenosa u oral,y se espera a que se acumule en el áreade interés. Los positrones que emite continuamentese encuentran enseguida conlos electrones de los átomos de nuestrocuerpo, explotando en dos fotones de altaenergía, que son emitidos en direccionesopuestas, de acuerdo con las leyes dela física.Alrededor del paciente se disponen losdetectores en forma de anillo, que soncapaces de medir el tiempo de llegadade los fotones y su dirección. Cuando sedetectan dos fotones que llegan ala vez desde direcciones opuestas,sabemos que se ha producidouna aniquilación electrón-positrón.Estos fotones detectados se conviertenen señales eléctricas yla información que se obtienepermite construir una imagen porsecciones.La PET es una técnica diagnósticamuy útil porque también detecta regionesde alta actividad química. Cuando elmetabolismo de una zona aumenta —porejemplo, en un tumor—, la concentraciónde sustancias químicas también aumenta,y con ella la densidad de electrones.Por tanto, las aniquilaciones serán másnumerosas en esta zona que en otra debaja actividad metabólica. En definitiva,la PET no sólo proporciona imágenes,sino que permite visualizar procesosbiológicos como el flujo sanguíneo, elmetabolismo y los receptores neuronales.De todo ello se están beneficiandodiversas áreas de la medicina.¿cómoves?13

este objetivo surgióen 2005 el proyectoALPHA, que tomó elrelevo de ATHENAen el CERN. Su planteamientose basaba enque aunque no tengacarga eléctrica, elátomo de antihidrógenose comporta como unapequeña brújula sensiblea un campo magnético.El equipo ALPHAdiseñó una trampa magnéticaa base de un complejo imán convarios polos magnéticos, una configuraciónque se conoce como trampa de Ioffe.La trampa de Penning se sitúa dentro dela trampa de Ioffe, de manera que cuandose forman los átomos de antihidrógenoy la trampa de Penning ya no los puederetener, entra en acción la trampa de Ioffey los atrapa. La combinación de ambastrampas es el arma perfecta para cazarantimateria, siempre que los antiprotonessean lo suficientemente lentos.En efecto, el campo magnético creadopor la trampa de Ioffe es muy débil, por loque es necesario enfriar todavía más losantiprotones para poder atraparlos. Por esose incluyó antes de la trampa un ingeniosomecanismo de frenado a base de electrones.La idea es parecida a detener un balónde fútbol haciéndolo pasar por un montónde pelotas de tenis. De la misma manera,los científicos utilizan los electronespara enfriar los antiprotones haciendoque choquen con ellos. La ventaja de loselectrones es que son fáciles de enfriar ypueden interactuar con los antiprotonessin aniquilarlos, puesto que no forman unpar partícula-antipartícula. En apenas unminuto, electrones y antiprotones llegan auna temperatura de equilibrio de 20 kelvin(-253º C). Los antiprotones ya están+C-partículagirotiempoPTEl Desacelerador de Antiprotones (AD) del CERN.antipartículagirotiempolistos para mezclarse con los positronesy formar átomos de antihidrógeno fríosque puedan ser luego capturados en latrampa de Ioffe.En noviembre de 2010, los responsablesdel experimento ALPHA confirmaronque de la interacción de 10 millonesde antiprotones y 700 millones de positrones,se habían formado 38 átomosestables de antihidrógeno, que duraron172 milisegundos cada uno. Éste era eltiempo mínimo para asegurarse que sehabían barrido de la trampa el resto deantipartículas que no habían llegado aformar antimateria. Apenas unos mesesdespués, consiguieron atrapar 309 átomosde antihidrógeno, 19 de los cuales aguantaron1000 segundos. Este tiempo sí essuficiente para estudiar el antihidrógenoen profundidad y comprobar si se comportatal y como indican los modelos teóricos.Experimentos con antimateriaCuando se habla de la simetría entremateria y antimateria, los físicos usan eltérmino simetría CPT; C de carga eléctrica,P de paridad (una propiedad de laspartículas elementales que hace referenciaa su sentido de giro) y T de tiempo.Lo que viene a decir esta simetría es quesi tomamos las ecuaciones que describencualquier ley física y cambiamos de signolas cargas eléctricas, cambiamos espacialmentela izquierda por la derecha einvertimos el tiempo, la situación física esequivalente. Al aplicar esta transformaciónal átomo de hidrógeno, el resultadoes el átomo de antihidrógeno. Refinandolo que se dijo al principio del artículo, laantimateria sería el reflejo de la materiaen el espejo de la simetría CPT.Hasta ahora no se ha encontradoningún fenómeno físico que no cumplaFoto: © M. Brice / CERNMás información• Chardin, Gabriel, La antimateria:una explicación para comprender,Ed. Siglo XXI, México, 2001.• http://goo.gl/6CoQx• www.revista.dominicas.org/antimateria.htm• http://ciencia.nasa.gov/cienciasespeciales/11jan_antimatter/la simetría CPT. Por tanto, cualquierexperimento realizado en el átomo de antihidrógenodebe conducir a los mismosresultados que en el átomo de hidrógeno.Cualquier diferencia, por mínima quesea, podría explicar lo que ocurrió pocodespués del Big Bang.Una manera de poner a prueba lasimetría CPT sería comparar el espectrodel hidrógeno con el del antihidrógeno,es decir, comparar los niveles de energíadel electrón del hidrógeno con los delpositrón del antihidrógeno. Éste es, dehecho, el objetivo principal del proyectoALPHA.Otro experimento crucial será comprobarcómo actúa la gravedad sobrela antimateria. De ello se encargará elexperimento a AEgIS, también del CERN,que en el verano de 2012 debería empezara tomar datos. El experimento medirá elefecto de la gravedad sobre un átomo deantihidrógeno en caída libre a lo largo de60 cm. De nuevo, la antimateria deberíacomportarse de la misma manera que lamateria, pero nadie ha podido verificarlotodavía.Mientras tanto, el CERN ya ha anunciadoun nuevo proyecto para producirantiprotones con las energías más bajasjamás alcanzadas. El proyecto, conocidocomo ELENA, consiste en un nuevo anillodesacelerador de antiprotones que reduciráa un quinto la energía actual de los antiprotones,lo que mejorará notablemente laeficiencia de atrapamiento. Su puesta enmarcha está prevista para 2016.Se avecinan unos años emocionantescon el estudio de la antimateria. Estamosa punto de atravesar el espejo como hizoAlicia y comprobar qué hay al otro lado.Lo que allí encontremos puede ayudarnosa entender por qué el Universo se decantópor la materia.Daniel Martín Reina, frecuente colaborador de ¿Cómoves?, egresó de la carrera Ciencias Físicas de la Universidadde Sevilla, España.14¿cómoves?