Una de las razones por las que la antimateria resulta tan interesante no solo para los físicos de partículas, sino también para las personas a las que nos apasiona la ciencia, es que las herramientas que tenemos aún no nos permiten entender qué papel jugó en el origen del universo. No obstante, el enigma no acaba aquí; tampoco sabemos qué leyes gobiernan la tenue línea que delimita el desequilibrio entre materia y antimateria en el que indagaremos en la última sección de este artículo.
Antes de seguir adelante merece la pena que nos detengamos un momento para repasar brevemente qué es la antimateria y qué la hace tan peculiar. En realidad no es más que una forma de materia constituida por antipartículas, que son partículas con la misma masa y espín que las partículas con las que estamos familiarizados, pero con carga eléctrica opuesta. De esta forma la antipartícula del electrón es el positrón o antielectrón. Y la antipartícula del protón es el antiprotón.
La antimateria tiene una propiedad sorprendente: cuando entra en contacto directo con la materia ambas se aniquilan, liberando una gran cantidad de energía bajo la forma de fotones de alta energía, así como otros posibles pares partícula-antipartícula. Actualmente está siendo estudiada en buena parte de los centros de investigación especializados en física de partículas más importantes del mundo con la esperanza de que conocerla mejor nos ayude a entender algunos de los misterios del cosmos que permanecen fuera de nuestro alcance.
El CERN tiene herramientas para crear y manipular antimateria
Su naturaleza exótica no ha impedido a los científicos encontrar la forma de obtenerla en el laboratorio con el propósito de estudiarla y conocer sus características más a fondo. El CERN, que actualmente es el laboratorio de física de partículas más avanzado del planeta, tiene varios experimentos diseñados expresamente para indagar en los secretos más recónditos de la antimateria recurriendo a interacciones muy energéticas entre las partículas.
Dos de los que ya nos han ofrecido algunos resultados alentadores, y que aún resultan muy prometedores, son ALPHA-g y GBAR. A grandes rasgos en el primero los científicos provocan el choque de dos haces de partículas con un elevado nivel de energía para obtener un átomo de antihidrógeno constituido por un antiprotón y un positrón, de la misma manera en que el protio, que es el isótopo del hidrógeno más abundante en la naturaleza, está constituido por un protón y un electrón.
Uno de los grandes desafíos que conlleva manipular la antimateria es que, como hemos visto, cuando entra en contacto con la materia ambas se aniquilan mutuamente y liberan mucha energía. Esta es la razón por la que los investigadores se han visto obligados a idear estrategias para mantener completamente aislada la antimateria que obtienen en el laboratorio durante el máximo tiempo posible. La estratagema más eficaz consiste en confinarla en una cámara de vacío para evitar que entre en contacto con la materia, y, afortunadamente, ya han conseguido mantenerla en este estado durante varios minutos.
Los experimentos ALPHA-g y GBAR del CERN persiguen entender mejor la interacción entre la antimateria y la gravedad
ALPHA-g (Antihydrogen Laser Physics Apparatus-gravity) estudia algo tan interesante como es la interacción que se produce entre la antimateria y la gravedad debido a que no está claro que tenga las mismas características que definen la interacción entre la gravedad y la materia ordinaria. Por otra parte, GBAR (Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest) produce antiiones, los enfría hasta que alcanzan una temperatura cercana al cero absoluto, que es -273,15 ºC, y, después, les roba un positrón para transformarlos en un antiátomo no iónico.
El propósito de estos dos experimentos es estudiar tan a fondo como sea posible la interacción de la antimateria y la gravedad, de manera que los científicos creen que abordar este cometido utilizando dos perspectivas diferentes puede ayudarles a entender mejor esta fuerza fundamental, y, quizá, a elaborar una teoría cuántica de la gravedad.
No obstante, los esfuerzos del CERN no terminan aquí. A finales del año pasado los investigadores del experimento BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) idearon un sorprendente dispositivo diseñado para transportar antipartículas. Suena complejo, y también parece peligroso, pero es una idea muy interesante porque permitiría llevar la antimateria obtenida en el CERN a otras instalaciones en las que podría ser estudiada.
Esta iniciativa aún está en desarrollo, pero, si todo sale como han previsto los científicos, facilitará la colaboración entre distintas instituciones que tienen un propósito común: entender mejor las propiedades de la antimateria. Os hablamos con más profundidad de este peculiar «maletín» para antimateria en el artículo que enlazo aquí mismo.
En esta fotografía podemos ver en acción a uno de los técnicos del CERN involucrados en la puesta a punto de los sofisticados equipos utilizados en el experimento BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment).
El gran enigma al que se enfrentan los científicos: la asimetría materia-antimateria
Y, por fin, llegamos al gran misterio en el que está involucrada la antimateria, un enigma del que posiblemente muchas de las personas que estáis leyendo este artículo habéis oído hablar: la asimetría entre la materia y la antimateria.
El modelo de la gran explosión con el que trabajan los astrofísicos predice esta asimetría, que no es otra cosa que una divergencia, posiblemente pequeña si nos ceñimos a la escala cosmológica, en las cantidades iniciales de antimateria y materia. Presumiblemente esta última debía de ser más abundante porque, de lo contrario, lo que nos dice lo que sabemos es que no existiríamos debido a que la materia habría sido aniquilada al entrar en contacto con la antimateria primordial generada durante el Big Bang.
El gran desafío al que se enfrentan los físicos es que el modelo estándar no ha conseguido explicar esta asimetría, que, por otro lado, ha sido comprobada parcialmente en el laboratorio mediante la identificación de la violación de la simetría CP (si queréis conocer mejor estos experimentos os sugiero echar un vistazo a este veterano pero aún valioso artículo de Francisco R. Villatoro).
Afortunadamente, el esfuerzo que están realizando los físicos durante los últimos años está dando sus frutos bajo la forma de hipótesis que, cuando menos, son prometedoras. Una de las más interesantes se apoya en el descubrimiento de un mesón que tiene la peculiar habilidad de cambiar de estado de forma espontánea, alterando su estructura entre materia y antimateria.
La oscilación de los mesones 'charm' puede ser la clave para explicar la asimetría materia-antimateria del universo que ha hecho posible nuestra existencia
Los mesones son partículas subatómicas pertenecientes a la familia de los hadrones que están compuestas por el mismo número de quarks y antiquarks, que se mantienen unidos gracias a la mediación de la fuerza nuclear fuerte. El cambio de estado que los científicos del experimento LHCb han observado en los mesones charm (encanto) puede ser la clave para entender el mecanismo que explica la asimetría materia-antimateria del universo. Os lo explicamos todo con más detalle en el artículo que enlazo aquí mismo, por si os apetece indagar un poco más.
No cabe duda de que estamos viviendo un momento apasionante para todas las personas a las que nos interesan la física de partículas y la cosmología. Podemos estar seguros de que durante los próximos años llegarán más descubrimientos sorprendentes que nos permitirán conocer un poco mejor no solo nuestro origen, sino también qué lugar ocupamos en el universo.
Imágenes: CERN
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49 comentarios
Alberto
Mi comentario es simplemente para felicitarte por artículos tan interesantes como éste, que además siempre explicas de la forma más sencilla y clara posible. Por extensión, gracias a Xataka por crear una clarísima referencia para todos a los que nos gusta la Ciencia y la Tecnología.
frg92552
Juan Carlos, quiero darte la enhorabuena por la calidad de tus artículos. Consigues hacerlos amenos y asequibles incluso aunque se trate de temas que sean de todo menos asequibles para los profanos.
En este caso además me ha resultado especialmente interesante ya que, aunque si sabía que en el CERN se generaban antipartículas elementales que se utilizaban para sus experimentos, no tenía ni idea de que se había llegado a conseguir algo como un átomo de antihidrógeno o que se haya llegado a mantener la antimateria estable durante varios minutos. Igualmente tampoco tenía ni idea de que se estuviera desarrollando un sistema para transportar antimateria. La verdad, pensaba que estas cosas eran aún ciencia ficción.
Muy muy interesante. Muchas gracias
rennoibtg
El tema de la antimateria me atrevería a decir que no se está interpretando correctamente o algo y se está convirtiendo en la búsqueda de Dios literalmente.
Por ejemplo y con respecto a este artículo, aquí se habla de:
materia + antimateria = Energía (de forma resumida).
Pero para que esto tenga sentido, debe haber unas circunstancias en las que se pueda producir matería mediante energía, que todavía no se ha demostrado. Solo que:
Materia + Energía = Antimateria (de forma resumida y en x circunstancias blah blah).
Tenemos miles de caminos para generar energía, algunos para destruir materia, pero ninguno para crear materia, lo que podría indicar que la materia acabaría desapareciendo, existiendo solo energía? Quizá no sea exactamente antimateria eso que han encontrado, si no una especie de "estado" de la matería sin más.
Probablemente sea que no lo estoy entendiendo bien. En cualquier caso, espero los avances del CERN.
perdidos
Ya os digo yo lo que van a descubrir: Nada. Que lejos de ser una decepción, es en si mismo un descubrimiento asombroso.
Todo apunta a que la materia y la antimateria son idénticas en cuanto a sus propiedades se refiere, y la gran pregunta seguirá en el aire, ¿Por qué no se creo antimateria en el origen del universo?
Porque no se creo, y solo hace falta echar los cálculos para darse cuenta de esto. Todos sabemos que un fotón de alta energía se convierte en materia y antimateria por la ley de la conservación de la carga eléctrica. Esto implica que al principio de todo tendría que haber iguales cantidades de materia y de antimateria.
Bien, pues ahora supongamos que había un poco más de materia que de antimateria.
Que en realidad la materia que forma nuestro universo es la superviviente de esa destrucción.
¿Pero cuánta materia y antimateria se aniquiló? Si tenemos en cuenta las enormes cantidades de energía que se obtienen de la aniquilación del par materia-antimateria no tardas mucho en llegar a la conclusión de que el espacio profundo debería tener suficiente temperatura para cocer el agua.
Porque para quien no haya pillado la idea todavía, el universo tal y como lo conocemos debería estar formado por los restos, por una parte insignificante del total inicial. Y si nos vamos a un universo mucho más joven y por tanto más pequeño, resulta que el universo tendría que tener unas temperaturas salvajes a poco que la materia y la antimateria se hubieran aniquilado entre si.
De hecho para que la temperatura de nuestro universo sea tan fría la aniquilación de la materia y de la antimateria ha tenido que ser un proceso insignificante, lo que solo cuadra con un proceso tan claro y evidente que ya tendríamos que saber exactamente que pasó.
goyito666
Tema y artículo muy interesantes, lastima que el tema llega un momento en el que supera mi capacidad de comprensión. Lo que estudie de ello en su tiempo no pasaba de electrones, protones y neutrones, me cuesta ya hacerme un esquema de la estructura del átomo. Hay algo que me sorprende un poco de la cuestión de la antimateria, se supone lo contrario de la materia, en la teoría de cuerdas, si la entendí bien, se consideran las partículas como "ondas" y el resultado de sumar dos ondas iguales pero invertidas es su anulación, en el artículo da la impresión de que no se anulan, de un proceso "agresivo" y de que liberan gran cantidad de energía. ¿Esto no va un tanto en contra del comportamiento de las ondas?.
Moon under water
Una pregunta que puede parecer estúpida y que igual incluso lo es.
Si el positrón y electrón se atraen y se aniquilan mutuamente, ¿Porque los electrones no caen al núcleo del átomo atraídos por los protones? ¿Hay alguna fuerza conocida que mantenga a los electrones en sus orbitales atómicos?
Víctor Demóstenes
Típico articulo de Juan Carlos... ¡excelente, como de costumbre! Empecé a leerlo y a medio camino volví al inicio solamente para comprobar si mi sospecha estaba fundamentada. Y sí, lo estaba: el artículo es de Juan Carlos.
Luke
El "como" del asunto debería llevar tilde