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miércoles 19, junio 2024

¿Qué es la antimateria?

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Seguro que muchos de vosotros recordáis la película Ángeles y Demonios dirigida por Ron Howard y protagonizada por Tom Hanks (Robert Langdon) y estrenada en 2009. Basada en una novela homónima de Dan Brown, en ella un grupo de “Illuminati” pretende vengarse por las afrentas pasadas de la Iglesia Católica eliminándola por completo destruyendo su centro neurálgico: San Pedro del Vaticano. Para ello cuentan con una poderosa bomba de antimateria o “partícula divina” que fue robada del CERN inmediatamente después de su producción. En la película, la antimateria es un gramo de sustancia peligrosa, depositada en una pequeña caja que sería capaz de hacer explotar a toda la Ciudad del Vaticano. Al final (alerta spoiler), como no podía ser de otro modo, Robert Langdon descubre dónde se esconde la bomba y la hace estallar de forma espectacular en el cielo por encima de la Basílica de San Pedro. Ahora bien, ¿hay algo de verdad en todo esto? ¿Es pura ficción o realmente existe la antimateria y podría usarse para fabricar bombas que aniquilarían ciudades enteras? Y lo que es más importante, si existe, ¿qué es la antimateria?

"Ángeles y demonios", de Dan Brown
Foto: Fusión Asturias

Sí, hay parte de verdad en la película y no es todo ficción. Existe la antimateria y, de hecho, se produce rutinariamente en el CERN (Ginebra, Suiza). Pero no, no se puede usar para fabricar bombas (no, al menos, en las cantidades en que somos capaces de producirla hoy en día).

Empecemos por responder de forma rápida y por orden a las preguntas anteriores antes de detenernos en la última y más importante. Sí, hay parte de verdad en la película y no es todo ficción. Existe la antimateria y, de hecho, se produce rutinariamente en el CERN (Ginebra, Suiza). Pero no, no se puede usar para fabricar bombas (no, al menos, en las cantidades en que somos capaces de producirla hoy en día). Ahora bien, ¿qué es la antimateria?

Para entender el concepto de antimateria debemos entender primero lo que es la materia. Es difícil de explicar en pocas palabras lo que es la materia. Se podría decir que es todo aquello que nos rodea, aquello que podemos “tocar”. Más en concreto aquello que ocupa un espacio y tiene masa, forma, peso y volumen, por lo tanto, se puede observar y medir. Es decir, todo lo que nos “rodea” es materia. Bueno, todo no, pues existen pequeñísimas cantidades de lo que conocemos como antimateria. El prefijo “anti-” ya nos indica que la antimateria es lo contrario de la materia. En este contexto “contrario” significa “carga opuesta”. Y es que las partículas de antimateria son idénticas en todos los sentidos a las de la materia, pero tienen carga eléctrica opuesta. Por ejemplo, la partícula de “materia” electrón tiene una masa de 9,1.10-31 kg y una carga eléctrica negativa de −1,6.10−19 Culombios (C), mientras que su versión de antimateria, el positrón, tiene la misma masa, pero una carga positiva de +1,6.10−19 Culombios (C).

Esquema materia y antimateria
Figura 1. Diferencia entre materia y antimateria ilustrada con el ejemplo del átomo de hidrógeno, compuesto por un protón y electrón; y del antihidrógeno, compuesto por un antiprotón y un positrón.

El descubridor de la antimateria, desde un punto de vista teórico, fue el físico inglés Paul Dirac que en 1928 desarrolló una teoría que combinaba la mecánica cuántica y la relatividad especial de Einstein para explicar de forma más completa las interacciones de los electrones cuando se mueven a velocidad relativista (cercana a la velocidad de la luz). La ecuación básica que derivó, denominada ecuación de Dirac (y que le valió el premio Nobel de Física en 1933), resultó tener dos soluciones, una positiva y otra negativa. Una de ellas era para el electrón (negativa) conocido ya en aquella época. Pero la positiva era un poco desconcertante pues parecía describir algo con carga positiva y por lo tanto implicaba la existencia de otra partícula contraria al electrón y con carga positiva, es decir, la partícula de antimateria positrón. Luego, en 1932, se demostró que estaba en lo cierto, pues este mismo año Carl Anderson descubrió el positrón cuando se encontraba estudiando los rayos cósmicos (lo que también le valió para ganar el premio Nobel de Física en 1936).

Durante los últimos 50 años, laboratorios como el CERN han producido rutinariamente antipartículas siendo el CERN en 1995 el primer laboratorio en crear antiátomos artificialmente. Sin embargo, hay un hecho que realmente intriga a los científicos. La cuestión es que, hasta ahora, nadie ha producido jamás antimateria sin obtener también las correspondientes partículas de materia. Esto significa que, si es imposible producir antimateria sin a su vez producir materia y extrapolamos esta situación al origen del Universo, el conocido como Big Bang, el escenario debería haber sido el mismo. Es decir, durante el nacimiento del Universo en el Big Bang, se habrían producido cantidades iguales de materia y antimateria. Sin embargo, como hemos dicho, existe mucha más materia que antimateria. Es precisamente esta falta de la esperada simetría materia-antimateria una de las cuestiones sin respuesta que los físicos tratan de resolver desde hace muchos años.

Si al principio había la misma cantidad de materia y antimateria ¿por qué no se aniquilaron por completo en el momento del Big Bang? ¿Quizás esta antimateria todavía existe en otro lugar?

De hecho, podemos ir más allá con nuestras preguntas si atendemos al siguiente hecho. Las partículas de antimateria son muy escasas y muy difíciles de detectar. Esto ocurre porque cuando una partícula y su antipartícula se unen, ambas desaparecen, literalmente en un instante, ya que el proceso de aniquilación transforma su masa en energía. Si esto es así y la materia y la antimateria se aniquilan, y nosotros y todo lo demás estamos hechos de materia, ¿por qué seguimos existiendo? O sea, vivimos en un Universo hecho exclusivamente de materia, pero si al principio había la misma cantidad de ambas ¿por qué no se aniquilaron por completo en el momento del Big Bang? ¿Quizás esta antimateria todavía existe en otro lugar? De lo contrario, ¿a dónde fue y qué le sucedió en primer lugar?

Tales preguntas han llevado a teorías especulativas, desde una ruptura en las reglas hasta la existencia de un anti-Universo completo en otro lugar. Otra posible explicación es que existe otra fuerza en la naturaleza, aún no descubierta, que no es simétrica entre materia y antimateria, es decir, tiene diferentes efectos sobre la materia y la antimateria. Sin embargo, la explicación quizás más aceptada hoy en día sea la que dice que la interacción nuclear débil (interacción entre partículas que causa la desintegración de las partículas de los átomos (protones, neutrones y electrones) para dar otras partículas diferentes) en realidad puede distinguir entre partículas de materia y antimateria “favoreciendo” de algún modo a la primera. Lo que parece que está claro a tenor de las evidencias observadas es que las leyes de la naturaleza no se aplican por igual a la materia y la antimateria y los físicos están ansiosos por descubrir las razones.

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