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Qué es la antimateria y por qué no paras de escuchar hablar de ella en las películas

Antimateria

Getty Images

28/09/2019 - 07:30

¿Cuántas veces has oído hablar de la antimateria en películas y series de ciencia ficción? Si no sabes exactamente lo que es, presta atención porque te vamos a explicar en qué consiste.

Seguro que recordarás que la mítica Enterprise, la nave espacial de Star Trek, se propulsaba gracias a la energía procedente de la reacción materia - antimateria. Por otra parte, en el libro Ángeles y Demonios de Dan Brown, así como en la película homónima protagonizada por Tom Hanks, tratan de volar el Vaticano mediante una bomba de antimateria. Y esto son solo un par de ejemplos en los que este concepto aparece en el cine, las series o la literatura.

Y es que la antimateria está envuelta en un halo de misterio que nos hace pensar en el espacio, en grandes cantidades de energía y en cosas intangibles que se escapan a nuestro conocimiento. Pero la antimateria no es cosa de ciencia ficción: se trata de algo real de cuyo estudio se ocupan los físicos de todo el mundo.

Si te gustaría saber qué es la antimateria, cuáles son sus propiedades, dónde se puede encontrar o cuáles son sus aplicaciones, sigue leyendo porque te lo vamos a explicar.

Índice de contenidos

Qué es la antimateria

La definición de antimateria nos la da la física de partículas, que es la rama de la física que estudia los componentes elementales de la materia, así como las interacciones entre ellos. 

Lo primero que tenemos que entender es el concepto de partícula. Una partícula se trata de un pequeño objeto al que se le atribuyen determinadas propiedades físicas y químicas, como un volumen o una masa. Es el fragmento más pequeño de materia que mantiene las propiedades químicas de un cuerpo, y varían tanto en tamaño como en cantidad: encontramos partículas subatómicas como el electrón, partículas microscópicas como el átomo o la molécula, así como partículas macroscópicas como la pólvora y otros materiales granulados. Cuando la partícula no está formada por otras unidades más pequeñas nos encontramos ante una partícula elemental.

Antimateria

A la mayor parte de las partículas presentes en la naturaleza le corresponde una antipartícula con la misma masa (magnitud que expresa la cantidad de materia de un cuerpo) y el mismo espín (propiedad física por la cual las partículas tienen un momento angular o cinético intrínseco de valor fijo), pero con carga eléctrica contraria. 

Por tanto, si la materia está formada por partículas, la antimateria es su antítesis y está constituida por antipartículas. Además, estas antipartículas que conforman la antimateria reaccionan entre ellas al igual que lo hacen las partículas de materia. Así, por ejemplo, un positrón o antielectrón (un electrón con carga positiva) junto  a un antiprotón (un protón con carga negativa), pueden formar un átomo de antimateria, el antihidrógeno, de la misma forma que un electrón y un protón constituyen un átomo de hidrógeno.

Cuando la materia y la antimateria entran en contacto, se aniquilan entre sí: no se destruyen, sino que se transforman en fotones de alta energía que producen rayos gamma y otros pares partícula - antipartícula. Esta propiedad resulta muy llamativa, lo que ha contribuido a la fascinación de la ciencia ficción por este concepto.

¿Cuándo se empezó a estudiar la antimateria?

El estudio de la antimateria se inició con la ecuación de Dirac, que predijo la existencia de las antipartículas. En 1928, el físico británico Paul Dirac escribió una ecuación que combinaba la teoría cuántica y la relatividad especial para describir el comportamiento de un electrón que se mueve a una velocidad relativista.

Esta ecuación, que ganó el Premio Nobel en 1933, planteó un problema: así como la ecuación x= 4 puede tener dos soluciones posibles (x = 2 o x = −2), la ecuación de Dirac también podía tener dos soluciones, una para un electrón con energía positiva, y otra para un electrón con energía negativa. 

Aprende más con el libro "Antimateria" (Qué sabemos de), de Beatriz Gato Rivera

A partir de la ecuación de Dirac, los científicos han detectado distintas antipartículas. Carl D. Anderson fue el primero en observar una de ellas: lo hizo en 1932 mediante una cámara de niebla, con la que fue capaz de encontrar positrones procedentes de rayos cósmicos. 

En el laboratorio ha sido posible crear algunas de ellas, aunque se trata de un proceso muy complejo y es muy complicado preservarlas, ya que se aniquilan al chocar con partículas. En la naturaleza se han podido observar rayos de antimateria en tormentas eléctricas, generados por ráfagas de rayos gamma terrestres. 

Pero, ¿dónde está la antimateria?

Antimateria

Muy bien, pero si la materia la tenemos presente en el mundo que nos rodea, ¿dónde está la antimateria? Pues mucho más cerca de lo que piensas... Por si no lo sabías, un plátano emite unos 15 positrones cada día, el 10% de la luz visible procedente del Sol llega como resultado de la aniquilación materia-antimateria, y en nuestro cuerpo hay potasio -40, por lo que nosotros mismos somos una fuente de antimateria.

No obstante, en el universo no hay grandes estructuras de antimateria, y los científicos no saben exactamente por qué, pero creen que se debe a un proceso físico hipotético conocido como bariogénesis.

Según las teorías científicas, la bariogénesis se produjo durante los primeros instantes de la formación del universo y fue responsable de la asimetría entre bariones (familia de partículas subatómicas formadas por tres quarks; los más representativos son el neutrón y el protón) y antibariones. Como consecuencia de este fenómeno, la cantidad de materia superó a la de antimateria poco después de la formación del universo

Hay distintas teorías que explican cómo pudo producirse la bariogénesis. Una de ellas señala que la diferencia actual entre materia y antimateria sería el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas en el Big Bang. De esta forma, la cantidad de materia habría sido ligeramente superior, lo que permitió que ésta prevaleciera en la aniquilación. 

Otra fue formulada por el científico Andréi Sájarov en 1967, quien señaló que las partículas y las antipartículas no tienen propiedades simétricas, es decir que no cumplen la simetría CP (Charge-Parity) que predice el Modelo Estándar de física de partículas. Debido a esto, tras el Big Bang no se generó la misma cantidad de materia que de antimateria. Un experimento reciente en el acelerador KEK de Japón sugiere que esta teoría podría ser cierta.

Otra teoría, que los científicos consideran más remota pero por el momento no ha podido ser descartada, postula que en el universo puede haber galaxias de antimateria, pero que al estar a largas distancias las hemos podido diferencias de las galaxias de materia, ya que su comportamiento y propiedades son indistinguibles.

Otros planteamientos postulan que la bariogénesis se debe a la existencia de partículas adicionales, y otros indican que puede ser debido a la interacción de la materia oscura, que reacciona de manera diferente con la materia que con la antimateria. 

Sea como fuere, por el momento la ausencia de grandes estructuras de antimateria en el universo continúa siendo un misterio, y desentrañarlo es uno de los grandes retos de la ciencia. 

La antimateria, la sustancia más cara del mundo

Sección del túnel del CERN

Sección del túnel del CERN

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Teniendo en cuenta el fenómenos de la aniquilación materia - antimateria, nos queda claro que la preservación de la antimateria es una tarea bastante complicada. Además, producir antimateria tampoco es nada fácil, ya que se necesitan grandes cantidades de energía para hacerla y almacenarla en el laboratorio. Esto hace que la antimateria sea la sustancia más cara del mundo. 

Se estima que la producción de un solo miligramo de antimateria conlleva un coste de 62.500 millones de dólares. Se puede hacer en aceleradores de partículas como el Large Hadron Collider (LHC, Gran Colisionador de Hadrones, en español), ubicado en el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) en la ciudad de Ginebra.

Estas máquinas tan sofisticadas son capaces de incrementar la velocidad de un haz de partículas de manera progresiva, hasta alcanzar casi los 300.000 km/s de la velocidad de la luz. De esta forma, las partículas chocan entre sí produciendo una gran temperatura, reproduciendo las condiciones que se dieron durante la creación del universo y produciendo antimateria en cada colisión.

Una vez que ha sido producida, la conservación de la antimateria supone un gran problema, ya que se aniquila si entra en contacto con la materia. La antimateria se puede almacenar en diferentes condiciones.

La antimateria en forma de antipartícula cargada se puede que almacenar en un dispositivo llamado trampa iónica o trampa de Penning, que combina un campo eléctrico y un campo magnético. También se puede guardar en cámaras de vacío y enfriar con radiación láser utilizando una trampa magneto-óptica, así como ser suspendidas con pinzas ópticas. 

En caso de que las antipartículas no tengan carga, se almacenan en una trampa atómica y también se pueden atrapar en cámaras de vacío con radiación láser en trampas magnéticas. 

A pesar de esto, las antipartículas de antimateria no se pueden conservar durante mucho tiempo. El máximo que los científicos han sido capaces de preservarla ha sido de 1.000 segundos, algo más de 16 minutos. Este logro se produjo en el experimento ALPHA del CERN, y permitió a los investigadores estudiar al detalle las propiedades del antihidrógeno.

Aplicaciones de la antimateria

Teniendo en cuenta las dificultades para producir y almacenar la antimateria y el elevado coste que supone, ¿por qué generarla? ¿Para qué sirve la antimateria?

Las aplicaciones médicas de la antimateria son las más destacadas en la actualidad. La tomografía por emisión de positrones o PET (Positron Emission Tomography), una tecnología sanitaria de la medicina nuclear, ya se emplea en la práctica clínica. Se trata de una técnica de diagnóstico por imagen in vivo no invasiva que puede medir la actividad metabólica del cuerpo humano.

Para llevar a cabo esta tarea, los tomógrafos detectan los fotones gamma emitidos por el paciente, que son el producto de la aniquilación entre un positrón emitido por un radiofármaco, como el Flúor-18, y un electrón cortical del cuerpo del paciente.

Máquina CT scan

El PET como técnica de diagnóstico es muy utilizado en oncología, neurología y cardiología. Además, también destaca su papel  en la experimentación clínica. 

Además de su aplicación en las técnicas de diagnóstico, el CERN ha descubierto que la antimateria puede emplearse como terapia contra el cáncer. Los estudios recientes han demostrado que los antiprotones son cuatro veces más efectivos que los protones para destruir el tejido canceroso, por lo que podría ser un tratamiento eficaz en el ámbito de la oncología. 

Aparte de los usos en medicina, las aplicaciones de la antimateria en la producción de energía parecen ser el futuro. La aniquilación materia - antimateria genera una gran cantidad de energía, unas diez mil millones de veces superior a la que se produce por reacciones químicas y diez mil veces mayor que la energía nuclear.

Por ejemplo, un gramo de antimateria produce la misma energía que una bomba nuclear, y solo harían falta 10 miligramos de antimateria para llevar una nave espacial hasta Marte.

No obstante, para aprovechar las aplicaciones de la antimateria en la generación de energía sería necesario reducir sus costes de producción. Para ello, algunos estudios de la NASA proponen atrapar la antimateria presente de manera natural en los Cinturones de Van Allen de la Tierra mediante campos magnéticos. Además, los científicos también trabajan en tecnologías de almacenamiento más avanzadas, como el método de confinamiento de antiprotones por radiofrecuencia del Dr. Masaki Hori.