Resumen corto: Antimatter o en español Antimateria explica uno de los conceptos de los que menos sabemos en la actualidad, la antimateria. Esta guía nos explica qué es, cómo funciona y cómo estudiarla nos puede enseñar cosas del universo. Por Frank Close

¿Quién es Frank Close?

Frank Close es un profesor de Física de la Universidad de Oxford, y antiguo líder del grupo de física teórica del Rutherford Appleton Laboratory. Cuenta con varios bestsellers, entre ellos El Legado de Lucifer, Eclipse, y Neutrino.

3 de las ideas más importantes del libro son:

• ¿Qué es la antimateria?
• Nuestra comprensión de la antimateria
• ¿Por qué hay más materia que antimateria?

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¿Qué es la antimateria?

En Junio de 1908, en una región remota de Siberia, ocurrió una explosion tan potente que sus efectos serán visibles a más de 700 kilómetros de distancia, y un calor tan intenso que podía quemar cubiertos, y arrasó más de 80 millones de árboles en un radio de 2000 kilómetros cuadrados. 

Esto se conoce cómo el evento, o bólido, de Tunguska. Fue una explosion de energía masiva comparable a la de la detonación de una bomba nuclear o el choque de un asteroide.

La principal explicación en el 2020 fue que se debió al impacto de un asteroide. Pero el autor defiende otra teoría, una basada en que la causa fue la antimateria, una sustancia capaz de causar explosiones 100 veces más potentes que la de una bomba nuclear con tan solo un kilo. Esta increíble potencia se debe a su composición.

La materia, todo lo que vemos a nuestro alrededor e incluso nuestro cuerpo, está formado por átomos, que a su vez están formados por partículas de carga positiva, protones, carga negativa, los electrones, y carga neutra, los neutrones. Las distintas formas que recibe la materia dependen del número de estas partículas en cada átomo, y la interacción a nivel de cargas entre distintas partículas.

Los neutrones se encuentran en el centro junto a los protones, mientras que los electrones oscilan alrededor de ellos en lo que se conoce cómo nubes de probabilidad, debido a la dificultad a la hora de medir en qué lugar está y a qué velocidad se mueve en cada momento. 

La antimateria cuenta con esta misma estructura, pero en su caso los protones del centro del átomo tienen carga negativa, y reciben el nombre de antiprotones. Los electrones oscilan alrededor pero en este caso con carga positiva, y reciben el nombre de positrones.

Tanto la materia cómo la antimateria son necesarias para que funcione el mundo que conocemos. La teoría de la relatividad de Einstein explica cómo todas las formas de materia son necesarias, porque permiten dar forma física a la energía. La energía en sí es neutra, y cómo sabemos ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Esto significa que cada vez que se crea materia, en forma de electrones y protones, se ha de crear antimateria en forma de positrones y antiprotones. De esta forma para crear materia necesitamos crear antimateria, y cuando la materia entra en contacto con la antimateria se fusionan y generan energía, que cómo resultado genera brotes de rayos gamma 

El descubrimiento de la antimateria

Paul Dirac, fue el primer físico conocido en formular la hipótesis de la antimateria. Tras salir la teoría de Einstein, se esperaba que teóricamente pudiera existir la antimateria, pero poco se lo tomaron en serio en la época. Dirac fue uno de ellos, y defendía que lo que vemos cómo vacío es en realidad un mar de energía negativa, que de entrar en contacto  con energía  podría generar positrones.

Dirac desarrolló el marco teórico para el descubrimiento, pero fue Carl Anderson. Anderson investigaba el fenómeno de los rayos gamma, con una herramienta que permitía detectar el movimiento de las partículas. Si no existia la antimateria, se esperaba que al pasar por el aparato los rayos gamma, causasen la liberación de los electrones en los átomos del tubo.

La liberación de estos electrones y los caminos que siguiesen permitirían estudiar el comportamiento de la materia. Pero el resultado fue diferente a lo esperado. Se esperaba que todas las partículas producidas fueran electrones y que fuesen hacia el imán de carga positiva, pero los resultados demostraron que algunas de las partículas se movieron en dirección al polo negativo.

Esto demostró que había algo más. Años más tarde, los experimentos de Patrick Blackett y Giuseppe Occhialini, dieron la respuesta que se buscaba. Con un aparato que esperaba detectar rayos cósmicos, energía emitida por estrellas, volvieron a observar un fenómeno parecido al de Anderson. Pero tras trabajar con Dirac se dieron cuenta de que quizá se trataba de positrones, producidos por el choque entre los rayos cósmicos y el material experimental

El mundo subatómico

Si no hemos seguido una carrera en el campo de la física o ingenierías relacionadas,es probable que lo último que sepamos sea que los átomos forman la materia, pero en realidad hay unidades aún más pequeñas que los átomos. A niveles más altos la composición del universo se divide en fermiones y bosones.

Los fermiones son las partículas con masa, las que forman la materia cómo pueden ser los neutrones, y los que forman la antimateria cómo pueden ser los antiprotones. Los bosones en cambio son partículas sin masa, cómo los fotones, las que producen luz y los gravitones, encargados de producir la gravedad.

Cuando Dirac propuso su teoría de la antimateria los únicos fermiones conocidos eran los protones, y neutrones típicos de los átomos. Pero con el estudio de rayos cósmicos descubrieron un gran abanico de partículas. Entre ellas los muones, electrones con gran masa, los piones, protones con menor masa.

más tarde se dieron cuenta de que los protones y otros fermiones estaban a su vez formados por partículas conocidas cómo quarks. Cada protón está formado por tres tipos de quark, y hay distintos tipos de quark. 

Los quark se pueden diferenciar según la carga, su dirección y su masa. Su descubrimiento cimentó la teoría de Dirac, al descubrirse que incluso estas “partículas fundamentales” se comportaban dentro del marco de la teoría. Cuando los quarks y los antiquarks chocan se produce energía y son aniquilados, pero antes de eso forman un tipo de partícula conocida cómo kaon, partículas que duran menos de la millonésima parte de un segundo.

Nuestra comprensión de la antimateria

La base de nuestro conocimiento del mundo subatómico ha sido gracias a los descubrimientos en el CERN, una organización formada por investigadores de todo el mundo que hacen uso del Colisionador de Hadrones. Este aparato que cuenta con kilómetros de envergadura permite entender el funcionamiento de la materia y otros compuestos gracias a su capacidad para acelerar las partículas y estudiar su comportamiento.

El proceso funciona de la siguiente manera:

1)Primero el acelerador de partículas causa que los protones choquen a grandes velocidades, próximas pero sin llegar a la de la luz. Estos choques crean antiprotones.

2)Las partículas resultantes pasan por unos campos de electrones que las ralentizan.

3)Las partículas llegan a distintas velocidades un aparato conocido cómo trampa de Penning, que usa un campo magnético para aislar las partículas de antimateria antes de que sean aniquiladas.

Esta tecnología permitió aislar el primer antiprotón en 1995. Crear el primer antihidrógeno, y más tarde crear grandes grupos de estos capaces de mantenerse estables durante minutos. Los resultados del CERN demuestran que puede llegar algún momento en el que podamos manipular la antimateria y usarla, no solo para entender el mundo mejor sino para mejorar nuestras vidas.

¿Por qué hay más materia que antimateria?

La materia y la antimateria son imágenes espejo, el comportamiento de una debería darnos información sobre el comportamiento de la otra. Pero según su tendencia a aniquilarse en contacto, no debería existir ninguna hoy en día. Después del Big Bang, se esperaría que la cantidad de materia y antimateria fuesen iguales, pero podemos ver hoy en día que no es así.

Los kaones muestran la interacción entre las dos formas de materia. Al unirse el quark y el antiquark se produce un kaon que sufre movimientos de la energía de las partículas en un proceso llamado oscilación. Durante este proceso el kaon oscila entre ser materia y ser antimateria.

Pero la oscilación del kaon no es simétrica. Durante el proceso la partícula se mantiene cómo kaon más tiempo del que pasa cómo antikaon. Hoy en día seguimos estudiando esta tendencia, pero podría indicar que la relación entre materia y antimateria no es del todo simétrica y podría explicar porque hay mucha más materia.

Otra fuente de información es el comportamiento de los neutrinos. Los neutrinos son partículas de tamaño muy inferior al de los electrones, pero de gran abundancia. Estas partículas pueden encontrarse cómo materia o antimateria. Se cree que después del big bang unas partículas conocidas cómo majorones decayeron hasta convertirse en los dos tipos de neutrinos existentes en la actualidad.

Se cree que los majorones decayeron de forma asimétrica y que esto podría haber dado prioridad a los neutrinos de materia, y que cómo resultado naciese el universo actual.

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