¿Qué es la antimateria?

Trayectoria del primer positrón registrada por Anderson 1932.

Una de las sustancias que más ha fascinado a los autores de ciencia ficción es la antimateria. Incluso su nombre suena exótico. Los tripulantes de la Enterprise la usaban como combustible y Dan Brown la usó como recurso destructivo en una de sus novelas. Mucho se dice sobre esta sustancia, pero ¿qué es realmente la antimateria?

Dirac y las antipartículas

La historia comienza en los años 20, cuando la física cuántica comenzaba a establecerse como una descripción apropiada del mundo microscópico. Esta revolución iniciada por Max Planck (Premio Nobel 1918) y adoptada por Albert Einstein para describir matemáticamente el funcionamiento de lo que hoy conocemos como celdas fotovoltaicas (que le dio el Premio Nobel en 1921), fue desarrollada por una colección de lumbreras del siglo pasado: Niels Bohr (Premio Nobel en 1922) la usó para explicar la estructura del átomo propuesto por su profesor Ernest Rutherford, mientras que Louis de Broglie (Premio Nobel 1929) propuso que cada partícula tenía asociada una onda. Esta extraña nueva física fue fortalecida por Max Born (Premio Nobel 1954) al introducir la interpretación probabilística y por Werner Heisenberg (Premio Nobel 1932) con su principio de incertidumbre. Cuando no estaba imaginando experimentos macabros con gatos encerrados en cajas, Erwin Schrödinger (Premio Nobel 1933) estableció la matemática de mecánica cuántica. La famosa ecuación de Schrödinger unifica las partículas del mundo subatómico con las ondas de de Broglie y las probabilidades de Born. Independientemente, Heisenberg desarrolló una versión alternativa de la física cuántica. La matemática de matrices de Heisenberg es una descripción del mundo equivalente a la de Schrödinger. Con todo lo anterior y una enorme lista de experimentos apoyando la validez de la teoría, la física cuántica estaba completa y la imagen del Congreso de Solvay de 1927 se convirtió en un ícono del desarrollo y establecimiento de esta nueva visión de la naturaleza.

Imagen que reune a varios de los arquitectos de la mecánica cuántica (se señala a los mencionados en el texto).

A pesar de que la ecuación de Schrödinger funcionaba de manera sensacional describiendo muchos experimentos, ésta ecuación tiene un pequeño problema: es incompatible con la relatividad especial de Einstein. La estructura matemática de la ecuación no permitía implementar apropiadamente las transformaciones desarrolladas por Hendrik Lorentz (Premio Nobel 1902) que forman el corazón de la relatividad. Por este motivo la ecuación de Schrödinger no puede describir partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. La solución a este problema fue presentada en 1928 por un joven y distraído genio llamado Paul Dirac, justamente sentado detrás de Lorentz y Einstein en la famosa imagen. La ecuación de Dirac es una belleza matemática que todo físico admira con gran devoción.

Ecuación de Dirac: simplicidad y belleza admirables.

A velocidades pequeñas se reduce a la ecuación de Schrödinger de la misma manera que la física de Einstein se reduce a la física de Newton. La ecuación de Dirac además explica el llamado espín del electrón, propiedad que no puede explicar la ecuación de Schrödinger. Dirac usó su ecuación para describir un electrón relativista y se encontró con una sorpresa: la ecuación predice la existencia de un segundo electrón pero con carga eléctrica opuesta. Este electrón positivo o antielectrón no había sido observado. Cuatro años más tarde usando energéticos rayos cósmicos Carl Anderson descubrió una nueva partícula con la misma masa que electrón pero con carga eléctrica positiva, al que llamó positrón. Este descubrimiento que le dio a Anderson el Premio Nobel en 1936 no sólo validó la ecuación de Dirac sino que además constituyó la evidencia experimental de la existencia de antipartículas. En 1933 Dirac compartió el Premio Nobel con Schrödinger. En 1955 los físicos Emilio Segrè y Owen Chamberlain descubrieron el antiprotón (por lo que compartieron el Premio Nobel en 1959). El mismo Dirac exclamó que «la ecuación resultó ser más inteligente que su autor». Hoy  tenemos verificación experimental de que cada partícula fundamental  tiene una antipartícula.

Antimateria

Como se describe más arriba, las antipartículas son partículas como cualquier otra. Aunque su nombre sugiere algo más misterioso, casi como si se tratara de objetos de otro universo, las antipartículas son tan normales como las partículas comunes. Su principal característica es tener la carga eléctrica opuesta a su compañera de materia (además de otras propiedades que no vale la pena mencionar para evitar tecnicismos). Una de las propiedades muy particulares de las antipartículas es que cuando se pone en contacto con su correspondiente partícula ambas se aniquilan transformando su masa en fotones de alta energía gracias a E=mc² (bien me enseñó mi mamá que «vería esta ecuación muchas veces en mi vida»). De la misma forma que existen los números negativos y al sumar un número con su negativo obtenemos cero, cuando una partícula se encuentra con su antipartícula ambas se aniquilan, sólo que la suma de energías debe ir a parar a algún lado, porque la energía se conserva (no se destruye sólo se transforma). La energía total se convierte en fotones de alta energía. Esta es la base de la idea que la antimateria podría usarse como fuente de energía, ya sea combustible o destructiva, tan popularizada en la ciencia ficción. Sin embargo es importante insistir que las antipartículas no son algo de otro mundo. Otra característica de la antimateria es uno de los misterios más grandes de la física y una de las preguntas más fundamentales que se intenta responder: ¿dónde está la antimateria? ¿por qué no vemos antimateria en nuestro entorno? La respuesta obvia es que si hubiese antimateria esta se aniquilaría al entrar en contacto con la materia, entonces la pregunta puede reformularse como ¿por qué hay materia en el universo? En el Big Bang, cantidades idénticas de materia y antimateria fueron creadas, las que deberían haberse aniquilado mutuamente, sin embargo algo produjo que un poco extra de materia sobreviviera a dicha aniquilación. Este excedente de materia se convirtió en galaxias, estrellas, planetas, gatos, etc. El origen del imbalance de materia y antimateria en los primeros momentos del universo es uno de los grandes misterios que la física intenta resolver ya que explicaría por qué existe el universo en el que vivimos, explicaría por qué existe algo en vez de nada.

A pesar de que no vemos antimateria en nuestro diario vivir, es posible encontrarla en el espacio, positrones y antiprotones son creados en eventos astrofísicos como explosiones de estrellas o materia siendo devorada por agujeros negros. Junto con electrones, protones y núcleos de Helio, estas antipartículas bombardean nuestro planeta lo que llamamos rayos cósmicos.

Fabricando anti-hidrógeno

Desde el descubrimiento de la antimateria en los años 30 se planteó la idea que podrían también haber anti-átomos. De la misma forma que las partículas se unen para formar estructuras más complejas que llamamos materia, las recién descubiertas antipartículas podrían formar antimateria en forma de anti-átomos. El átomo de hidrógeno es el más simple de todos formado por un un electrón orbitando a un protón, su correspondiente anti-átomo sería  un positrón (reemplazando al electrón) orbitando a un antiprotón (que reemplaza al protón), el que recibe el nombre de anti-hidrógeno.
Todavía recuerdo cuando una tarde de 1995 leí en un ejemplar de la revista Muy Interesante el logro colosal conseguido en el CERN: once átomos de anti-hidrógeno fueron producidos por primera vez. Luego, en 1997 físicos de Fermilab fueron capaces de fabricar su propio anti-hidrógeno. Dado que los anti-átomos se fabrican usando aceleradores, los anti-átomos se mueven rápidamente. En 2002, el experimento ATHENA en el CERN mostró que sería posible fabricar y luego frenar los anti-átomos. El principal problema es que no es posible usar una botella para guardar antimateria ya que la botella está hecha de materia, por lo tanto la antimateria se aniquila al entrar contacto con las paredes. Por esto, los físicos han desarrollado las llamadas trampas magnéticas, las cuales usan campos eléctromagnéticos para mantener los anti-átomos confinados y lejos de las paredes de la botella. Con este método se logró almacenar un par de decenas de anti-átomos de hidrógeno por unos milisegundos. En 2011, el experimento ALPHA también en el CERN anunció haber producido y atrapado anti-hidrógeno por  algo más de 15 minutos. Aunque esto parece ser poco tiempo, a escala de partículas esto es una eternidad y permite a los físicos medir sus propiedades.

No sabemos qué le pasaría a una anti-manzana bajo la acción de la gravedad.

Testeando la relatividad: antimateria y gravedad

Uno de los motivos principales para estudiar la antimateria es que uno de los principios fundamentales de nuestras teorías más exitosas (el modelo estándar y la relatividad general) llamado simetría de Lorentz permitió a Wolfgang Pauli (el padre de los neutrinos y ganador del Premio Nobel en 1945 por su famoso principio de exclusión, también en la foto de arriba) y otros demostrar un teorema llamado CPT. El teorema CPT establece entre otras cosas que si en un experimento reemplazamos todas las partículas por sus antipartículas (C por conjugación de carga: equivale cambiar todas las cargas positivas por negativas y vice versa), al mismo tiempo que cambiamos la direción del espacio (P por paridad: equivale a ver el mundo en un espejo) y la dirección del tiempo (T por inversión temporal) entonces las leyes de la física serán las mismas. Este resultado también se conoce como simetría CPT. Demostrar que esta simetría no se cumple implicaría un cambio radical en los cimientos de la relatividad y por lo tanto habría que modificar la relatividad general y el modelo estándar. Es importante mencionar que no significa lanzar las teorías actuales al basurero. De la misma forma que la teoría de Einstein es una extensión de la teoría de Newton, una nueva teoría en la forma de una extensión del modelo estándar y la relatividad general sería necesario. Dicha extensión fue creada en 1997 por Alan Kostelecký y Don Colladay (su estudiante de doctorado) y se conoce como Standard-Model Extension (SME). Corresponde a una teoría que generaliza al modelo estándar y la relatividad general permitiendo la posibilidad que la simetría de Lorentz y CPT no sean exactas. Desde su publicación, miles de artículos han estudiado el SME y más importante, decenas de laboratorios en el mundo se han lanzado a la búsqueda de los distintos efectos que podrían aparecer en diferentes experimentos como consecuencia del pequeñas desviaciones de la relatividad (el término técnico es desviaciones de la simetría de Lorentz). Estos experimentos incluyen relojes atómicos, colisionadores, partículas (electrones, protones, neutrones, neutrinos, muones, quarks, fotones), gravedad y comparaciones de hidrógeno con anti-hidrógeno. Hasta la fecha no hay evidencia de desviaciones de la relatividad y Einstein sigue triunfante. Sin embargo todavía quedan muchos efectos que no han sido estudiados. Mi tesis de doctorado justamente ha sido trabajando con Kostelecký en el desarrollo de técnicas para buscar desviaciones de la relatividad usando neutrinos (si los neutrinos superlumínicos hubiesen sido reales habrían sido muy buenas noticias). Otro estudiante se doctoró en 2010 en nuestro grupo desarrollando técnicas para buscar desviaciones de la relatividad usando gravitación. Una de sus ideas justamente consistía en estudiar cómo la gravedad afectaría a la antimateria. Algunos científicos han propuesto que la antimateria experimentaría una antigravedad, sin embargo no hay motivos para pensar que así sea. Esto es justamente el motivo por el cual varios experimentos han sido diseñados para estudiar los efectos gravitatorios en antiprotones y átomos de anti-hidrógeno: no sabemos qué pasará. Lo más probable es nada extraño ocurra y la antimateria se comporte igual que la materia. Otra cosa que podría ocurrir es que protones y antiprotones se comporten de diferente manera, no necesariamente como una gravedad repulsiva sino que simplemente los antiprotones podrían caer más rápido o más lento, o podrían aparecer efectos tan exóticos como experimentar la gravedad de distinta manera dependiendo de la estación del año.

Aclaraciones sobre antimateria y antigravedad

Exterior del experimento ALPHA (Imagen: CERN)

Varios experimentos han sido diseñados para estudiar los efectos de la gravedad en antimateria incluyendo ALPHA, AEgIS y GBAR. Recientemente, el experimento ALPHA ha estado desarrollando una nueva técnica para medir los efectos de la gravedad en sus átomos de anti-hidrógeno de forma directa, sin asumir postulados como el teorema CPT (como hacen otros experimentos), lo que permitiría un test directo de la gravedad en la antimateria comparada con su efecto en la materia. El artículo en Nature muestra los detalles técnicos de la medición, los que han sido muy bien resumidos en Cuentos Cuánticos. El resultado es que no se puede concluir nada todavía. Los errores experimentales son enormes y no permiten concluir cómo se comporta la antimateria en presencia de gravedad. El artículo tiene como objetivo mostrar que la técnica funciona, ahora será mejorada y en el futuro los resultados serán refinados. Como buen experimento, se consideró también la posibilidad de que la antimateria fuese repelida gravitacionalmente en vez de atraída (como ocurre en nuestro mundo de materia) en lo que podríamos llamar antigravedad, sin embargo los resultados son preliminares y no permiten conclusión alguna.
Este artículo ha provocado una avalancha de reportes en los medios en los que poco se habla del objetivo del experimento y sus conclusiones, enfocándose sólamente en la parte más especulativa (aunque no menos interesante) del estudio. Titulares diciendo que «CERN está buscando antigravedad» o que «científicos comprobarán la existencia de la antigravedad» son sólo exageraciones y en algunos casos ideas sacadas de contexto para hacer de esto una noticia más atractiva. Los periodistas deberían entender que estas noticias son lo suficientemente interesantes y no requieren engañar al lector para contarle lo impresionante de estas mediciones así como la gran relevancia que tienen en nuestro entendimiento del universo.

Finalmente, cuando se trata de explicar la importancia de los avances en el estudio de la antimateria hay muchos enfoques, en particular para mostrarle al público general su relevancia. Entre científicos en cambio, sólo lograr entender algo más de la antimateria es motivo suficiente para realizar estos experimentos. Una excelente descripción de esto es presentada de manera gráfica por Zach Weinersmith:

Imágenes: Carl Anderson, CERN, SMBC.