17 Antimateria

Las naves espaciales de la ciencia ficción funcionan a menudo con «motores de antimateria»; no obstante, la antimateria es real e incluso ha podido ser producida artificialmente en la Tierra. La antimateria puede definirse como una imagen especular de la materia con energía negativa que, en consecuencia, no puede coexistir durante mucho tiempo con la materia, ya que ambas se anularían si llegaran a entrar en contacto causando un resplandor de energía. Dado que el universo está lleno de materia, la antimateria es poco frecuente, lo que señala ciertos desequilibrios durante el Big Bang.

Mientras camina por la calle, se encuentra con una réplica de sí mismo: es su gemelo de antimateria. ¿Le daría la mano? La antimateria se predijo en los años veinte del siglo pasado, y se comprobó experimentalmente su existencia en la década siguiente. La antimateria puede describirse como la imagen reflejada en el espejo de la materia, es decir, sus partículas, energía y propiedades físicas son todas del signo contrario. Así, un antielectrón, llamado positrón, tiene la misma masa que el electrón, pero es de carga positiva; del mismo modo, los protones y las demás partículas tienen también sus correspondientes hermanos opuestos de antimateria.

Energía negativa Después de formular una ecuación para el electrón en 1928, el físico británico Paul Dirac vio que de ella se deducía la posibilidad de que los electrones pudieran tener tanto carga negativa como positiva. Igual que la ecuación x² = 4 tiene dos soluciones posibles, x = 2 y x = –2, Dirac se encontró con dos formas de resolver el problema: la energía positiva se esperaba, e iba asociada al electrón normal, pero la energía negativa no tenía sentido. No obstante, en lugar de pasar por alto ese dato extraño, Dirac sugirió que esas partículas pueden existir realmente. Ese estado complementario de la materia es la «anti» materia.

Antipartículas La caza de la antimateria empezó inmediatamente. En 1932, Carl Anderson confirmó la existencia de positrones experimentalmente. Seguía las huellas de chorros de partículas producidas por rayos cósmicos (partículas energéticas que estallan en la atmósfera, provenientes del espacio) cuando vio la pista de una partícula de carga positiva, con la masa del electrón, el positrón. Entonces, la antimateria dejó de ser una idea abstracta para ser real.

Tuvieron que pasar otras dos décadas hasta que se detectó la siguiente antipartícula: el antiprotón. Los físicos construyeron nuevos dispositivos de aceleración de partículas, que incrementaban mediante campos magnéticos las velocidades de partículas que viajaban a través de ellos. Esos poderosos haces de protones acelerados produjeron suficiente energía para revelar la existencia del antiprotón en 1955. Poco después, se descubrió también el antineutrón.

En la Tierra, los físicos pueden crear antimateria en aceleradores de partículas, como los del CERN en Suiza o el Fermilab cerca de Chicago. Cuando los haces de partículas y antipartículas se encuentran, pueden aniquilarse el uno al otro provocando un relámpago de energía pura. La masa se convierte en energía según la ecuación de Einstein E = mc². Así que si se encuentra con su gemelo antimateria, recuerde que abrazarlo no es muy buena idea.

Asimetrías universales Si la antimateria se extendiera por todo el universo, el episodio de aniquilación descrito más arriba ocurriría continuamente. La materia y antimateria se destruirían gradualmente la una a la otra en pequeñas explosiones. Dado que ese fenómeno no ocurre, es imposible que haya mucha antimateria a nuestro alrededor. De hecho, la materia normal es la única forma generalizada de partícula que vemos, por un margen muy grande. Por tanto, se puede concluir que, cuando el universo empezaba a crearse, algún desequilibrio provocó que se produjera más materia normal que su opuesto de antimateria.

Como todas las imágenes especulares, las partículas y sus antipartículas están relacionadas a través de diferentes tipos de simetrías. Uno de ellos es la simetría temporal. Debido a su energía negativa, las antipartículas son equivalentes matemáticamente a partículas normales que se mueven hacia atrás en el tiempo. Por tanto, un positrón puede considerarse como un electrón que viaja del futuro al pasado. La siguiente simetría se refiere a las cargas y otras propiedades cuánticas, que están invertidas en la antimateria. Una tercera simetría considera el movimiento a través del espacio. Los movimientos generalmente no se ven afectados si cambiamos la dirección de las coordenadas delimitando el campo del espacio. Es decir, una partícula que se mueve de izquierda a derecha parece igual que una que se mueve de derecha a izquierda, y apenas cambia si da vueltas en el sentido del reloj o al revés. Esta simetría de «paridad» se produce en la mayoría de las partículas, pero hay unos cuantos casos en los que no ocurre así. Los neutrinos, por ejemplo, sólo pueden ser zurdos y dan vueltas en una sola dirección: no hay neutrinos diestros. En el caso de los antineutrinos, ocurre lo contrario: son todos diestros. Por tanto, la simetría de paridad puede romperse en ocasiones, aunque se mantiene una combinación de conjugación de carga y paridad, llamada simetría carga-paridad para abreviar.

Tal y como los químicos saben que algunas moléculas prefieren existir en una sola versión, como una estructura zurda o una diestra, la razón de que el universo contenga mucha más materia que antimateria es un gran enigma. Sólo una pequeña fracción de las cosas que hay en el universo, menos del 0,01 por 100, están hechas de antimateria. No obstante, el universo contiene también diversas formas de energía, entre las que se incluye una gran cantidad de fotones.

Por tanto, es posible que una gran cantidad tanto de materia como de antimateria se creara en el Big Bang, y que la mayoría se destruyera poco después, de manera que ahora sólo pervive la punta del iceberg. Un minúsculo desequilibrio a favor de la materia sería suficiente para explicar su actual predominio. Sólo 1 de cada 10.000.000.000 (10¹⁰) partículas de materia lograron sobrevivir una milésima de segundo después del Big Bang, y las restantes fueron aniquiladas. La materia restante se preservó probablemente a través de una ligera asimetría de carga y paridad.

Las partículas que pudieron estar involucradas en esta asimetría, llamadas bosones X, no se han descubierto todavía. Se trata de unas partículas enormes que decaen desequilibradamente y crean una ligera sobreproducción de materia. Los bosones X pueden interaccionar con los protones y desaparecer, finalmente, en una niebla de partículas todavía más finas. No obstante, la buena noticia es que la escala temporal necesaria para que esto ocurra es muy larga. El hecho de que estemos aquí y que nadie haya visto a un protón degradarse, implica que los protones son muy longevos y que deben vivir al menos entre 10¹⁷ y 10³⁵ años, o miles de miles de miles de millones de años, lo que supera con creces el tiempo transcurrido desde la creación del universo. Es cierto, no obstante, que esta teoría plantea la posibilidad de que, si el universo se hace muy viejo, la materia normal pueda llegar a desaparecer.

La idea en síntesis: imagen especular de la materia