La antimateria: el descubrimiento del positrón

Crédito: Muy Interesante

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En esta época nuestra no nos resulta extraña, por oída, la palabra antimateria. Cuando la encontramos en un libro de ciencia ficción o en alguna película más o menos seria, entendemos lo que nos quieren decir. Sin embargo, no deja de ser una palabra con un marcado caracter antinatural. Antiprotones, antineutrones, antielectrones… entendemos que son partículas similares a los originales protones, neutrones y electrones, pero de signo opuesto, signifique esto lo que signifique; salvedad hecha del antineutrón que, al igual que el neutrón, no tiene carga eléctrica, pero sí una serie de propiedades físicas que son el reflejo del neutrón.

Estamos hechos de materia. Todo a nuestro alrededor es materia y, a simple vista, no parece que haya signos de antimateria. Sin embargo, los científicos usamos la palabra antimateria a menudo. Sabemos que existe. Trabajamos con ella, incluso. La fabricamos de manera artificial y somos capaces de detectar la que se crea de forma natural. La ciencia ficción a veces se confunde con la ciencia misma, salvo que la ciencia es realidad y no ficción. ¿Cómo pudieron los primeros científicos imaginar algo como la antimateria? ¿de dónde vino la pista de su existencia? ¿quién la descubrió?

Fue Paul Dirac (1902-1984) el físico que, en 1929, propuso por primera vez la existencia de antimateria, al mezclar la teoria de la relatividad especial de Einstein con la mecánica cuántica. Dirac fue un personaje peculiar. Cuentan que, en una de sus conferencias, una oyente se quejó amargamente: “Doctor Dirac, no comprendo cómo obtuvo usted esa fórmula que ha escrito en el ángulo superior izquierdo de la pizarra”. Dirac replicó: “La suya es una afirmación, no una pregunta. El siguiente por favor”.

La antimateria surgía de los cálculos de Dirac de manera natural. Por la ecuación de equivalencia entre la masa y la energía, de Albert Einstein, la famosa E=mc2, cada vez que se creaba materia a partir de energía (la ecuación de Einstein no indica más que la masa y la energía son equivalentes salvo una constante; una constante con un valor tremendamente grande, eso es cierto, pero equivalentes. Y el valor elevado de la constante únicamente expresa que basta una cantidad muy pequeña de materia para conseguir una gran cantidad de energía), cada vez que se creaba matería a partir de energía, decía, se creaba también una cantidad igual de antimateria. Sin embargo, en la década de los años treinta, cuando se empezaba a hablar de antimateria, no había todavía posibilidad de realizar un experimento que pudiera demostrar su existencia. Todo eran especulaciones teóricas. Con sentido, sí. Con fundamento teórico, sí. Pero sin posibilidad de demostración.

Hoy en día, con nuestros aceleradores de partículas, máquinas como el LHC donde el ser humano aplica la tecnología más avanzada, la generación de antimateria está a la orden del día. El LHC tiene unas dimensiones colosales: un anillo de 27 km de longitud a 100 metros de profundidad por donde se hacen circular protones a velocidades cercanas a la de la luz. Tan cercanas como un 99,999999% de la velocidad de luz. La teoría de la relatividad de Einstein es clara en este punto: toda partícula con masa incrementa el valor de su masa a medida que la vamos acelerando a velocidades próximas a la de la luz. De hecho, ninguna particula con masa, como el protón, puede llegar a la velocidad de la luz porque haría falta una energía infinita para acelerarla.

En el caso del LHC, lo anterior se traduce en lo siguiente: los campos electricos consiguen acelerar los protones a velocidades cada vez mayores.A medida que son acelerados, los protones van adquiriendo masa, por lo que cada vez cuesta más energía acelerarlos. Debido a esa “masa” extra, cada vez tienen mayor tendencia a salirse por la tangente (no olvidemos que el LHC es un anillo y, por tanto, la trayectoria de los protones es circular), por lo que los campos magnéticos necesarios para forzar al protón a seguir en el túnel tienen que ser cada vez mayores (de ahí que el anillo sea tan grande: para hacer el camino lo más recto posible y las fuerzas de inercia menores, causando un menor consumo eléctrico: hay que pagar la factura de la luz). Cuando la velocidad del protón alcanza el 99,999999% de la velocidad de la luz, éste choca con otro protón que viene en sentido contrario a la misma velocidad. La energía cinética del choque es tan grande debido a la “masa” extra de los protones y a la velocidad, que como resultado del choque se pueden llegar a generar hasta 20 protones más (la energía cinética se transforma en masa a través de la ecuación de Einstein arriba mencionada), junto con sus antiprotones y otras partículas y sus antipartículas muy interesantes para los físicos, como el bosón de Higgs, pero que caen fuera de este artículo. En 1930, los aceleradores de partículas eran demasiado débiles como para conseguir algo así.

Sin embargo, la antimateria se genera de forma natural porque existe un acelerador de partículas inmenso en la naturaleza: el propio universo. Nuestra planeta es bombardeado de continuo por unas partículas llamadas “rayos cósmicos”. En realidad no tienen nada que ver con la radiación, por lo que la palabra “rayo”, en este contexto, está mal empleada. Son partículas subatómicas provenientes del espacio exterior. Provenientes de lugares tan remotos como otras galaxias. Llevan tanto tiempo viajando que muchas “nacieron” antes de que los dinosaurios poblaran la Tierra. Nuestra propia galaxia también es fuente de rayos cósmicos. Y, cuando esas partículas llegan a nuestro planeta, lo hacen a velocidades cercanas a la de la luz, tras haber sido acelerados en potentísimos campos magnéticos, como los creados por las ondas de choque de estrellas en explosión, los agujeros negros, u otros sucesos cósmicos. En su mayoría, esos rayos cósmicos son absorbidos por nuestra atmósfera protectora, pero otros consiguen llegar al suelo.

En la década de 1910, el físico escocés Charles T.R. Wilson perfeccionó un aparato que se conoce como cámara de niebla y que se utilizaba para simular la formación de niebla. Cuando una partícula cargada (por ejemplo, un rayo cósmico) atraviesa la cámara de niebla, deja una estela de ionización que aporta al vapor supersaturado semillas para que se formen gotitas de agua. En las cámaras de niebla llega a llover por este efecto. En 1932, Carl Anderson del Instituto Tecnológico de California, colocó una cámara de niebla dentro de un campo magnético. De este modo, bastaba con ver la trayectoria generada por la ionización para saber de qué partícula se trataba. Al estar en un campo magnético, si la partícula era positiva se desviaría en una dirección; si era negativa, en la dirección contraria. Y la curvatura de la trayectoria únicamente dependerían de dos factores: la masa de la partícula y velocidad.

Lo esperado era que el detector captara protones y electrones, entre otra partículas. Y así era. Al menos, hasta el 2 de agosto de 1932, momento en que Anderson fotografió un rastro de vapor dejado por una partícula que tenía la misma masa que el electrón, pero cuyo camino se correspondía con el de una partícula cargada positivamente. Anderson acababa de detectar por primera vez la antimateria. Esa nueva partícula, que pasó a denominarse “positrón” (electrón positivo), se había formado en el choque de un rayo cósmico de elevada energía (probablemente algún protón) con un átomo de nuestra atmósfera. Un choque muy similar al que podemos generar nosotros en los aceleradores de partículas actuales. Pero un choque natural, sin que mediara el ser humano. La antimateria pasaba de ser algo teórico a ser algo natural, perfectamente explicado. Un nuevo triunfo de la mente humana.

Dirac diría poco después que él era listo, pero su ecuación mucho más. En 1933, Dirac fue galardonado con el Nobel por su descubrimiento teórico. Tres años más tarde, Anderson lo recibiría por su descubrimiento experimental.

 

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