Una incógnita de la física: ¿Es nuestro universo el sobrante de la aniquilación de materia y antimateria? La investigación antimateria ha hecho grandes progresos en los últimos tiempos
Aunque difícil de imaginar, todo el universo que conocemos consta de átomos, los que son, en más del 90% de su volumen, espacio vacío. No importa si son de hidrógeno o de uranio*, constan de solo tres clases de partículas: protones y neutrones, que forman el núcleo, y electrones que giran alrededor de él. El protón tiene carga positiva y el electrón carga negativa. Las galaxias más lejanas contienen los mismos elementos que forman nuestro sistema solar y constan de las mismas partículas subatómicas.
EL SIGNO CONTRARIO
Se van a cumplir 80 años de la fecha en que el físico inglés Paul Dirac, tras formular una ecuación para el electrón, que lleva su nombre, postuló la existencia de antimateria, el positrón, un electrón con carga positiva. En 1932, el físico Carl Anderson detectó, en la colisión de rayos cósmicos, electrones con carga positiva. Ese año, Dirac recibió el Premio Nobel de Física. La teoría de Dirac preveía cargas eléctricas diversas de antimateria, lo que se confirmó en 1955 cuando los físicos Emilio Segré y Owen Chamberlain detectaron, en el laboratorio de la Universidad de California, el antiprotón.
Hace 10 años, los científicos del Laboratorio CERN, de la Comunidad Europea, lograron crear 11 átomos de antihidrógeno, el elemento más liviano, cuyo núcleo es un antiprotón orbitado por un antielectrón (positrón). Esta fue la primera evidencia de la antimateria, un elemento con la misma masa del hidrógeno, pero con carga inversa. En aquella ocasión, el átomo de antihidrógeno sobrevivió solo 40 millonésimas de segundo.
COLISIÓN Y ANIQUILAMIENTO
En los 10 años transcurridos desde que se lograron producir los primeros átomos de antihidrógeno, la investigación en el campo de la antimateria ha hecho grandes progresos. Se ha confirmado que las antipartículas se producen en todo el universo cuando hay colisiones. Las producen los rayos cósmicos, y los choques de partículas a gran velocidad también producen rayos gamma. La materia y la antimateria, al encontrarse, se anulan mutuamente liberando una gran cantidad de energía. A igualdad de peso este aniquilamiento libera 10.000 millones de veces más energía que una reacción química y más de 100 veces más que una nuclear.
Un kilo de antimateria que choca con un kilo de materia libera 134 veces más energía que la fusión del mismo peso de hidrógeno, el equivalente de 43 millones de toneladas de dinamita, 134 veces más que una bomba nuclear de hidrógeno del mismo peso. La mitad de esta energía se la llevan los neutrinos emitidos en el evento, partículas sin carga que atraviesan la materia a velocidades cercanas a las de la luz.
Aunque sería una fuente de energía poderosa, la antimateria es muy difícil de obtener. Hasta ahora se han producido solo unos cientos de átomos, que se han logrado mantener hasta 10 segundos. Se cree que con el nuevo acelerador lineal del Cern se podrá producir más. Aun así, produciendo 10 millones de antiprotones por segundo demoraría mil millones de años producir un gramo de antihidrógeno. Por el momento no parece que la antimateria sería una alternativa a la crisis energética.
FALTA DE SIMETRÍA
Desde el descubrimiento del positrón, uno de los temas favoritos de la ciencia ficción es un antiuniverso, paralelo al nuestro, formado por antipartículas. Hoy una de las preguntas no resueltas de la física es por qué el universo consta casi exclusivamente de materia. De acuerdo con la teoría del origen del universo, durante los primeros instantes del Big Bang la simetría, o 'paridad' de carga, llamada CP, debió producir igual número de partículas con carga positiva y negativa. Al encontrarse ambas, se cancelarían y el universo constaría hoy solo de fotones (luz sin carga eléctrica). Como este no es el caso, las leyes de la física debieron actuar en otra forma, creando la asimetría que hace posible el universo que conocemos.
En una serie de experimentos sobre la forma en que decaen las partículas subatómicas, los físicos James Croning y Val Fitch descubrieron que esta paridad o simetría no se mantiene, descubrimiento que les valió el Premio Nobel de Física de 1980. Esta asimetría explicaría por qué una pequeña parte de las partículas generadas por el Big Bang sobrevivió el aniquilamiento mutuo de materia y antimateria formando el universo que conocemos. Esta explicación supone que el Universo actual es solo la pequeña fracción residual de lo originado en el Big Bang.
EL UNIVERSO PARALELO
A muchos no les satisface la idea de que nuestro universo es el residuo de un aniquilamiento masivo de partículas, que no conservó la simetría. La alternativa serían dos universos; uno, el nuestro, con átomos formados por protones y electrones y otro con átomos de antiprotones y positrones. El problema es que este universo no podría compartir el espacio con el nuestro porque, al encontrarse, los átomos con signos opuestos se aniquilarían. Esto no ha impedido que se especule sobre la existencia en algún lugar (¿otra dimensión?) del antiuniverso.
A esta interrogante, que aún no tiene una respuesta satisfactoria, la cosmología debe añadir la materia y energía oscura (ver esta página del martes 26 de setiembre del 2006), que compone más del 90% del universo, cuya naturaleza desconocemos. Por el momento, no se ha encontrado una relación entre ambas interrogantes. El avance de nuestros conocimientos y el progreso de la física experimental nos han permitido comprobar que la antimateria existe, y crear --aunque solo por unos segundos-- átomos de antimateria que fueron pronosticados teóricamente 70 años antes.
Sin embargo, paralelamente a nuestros conocimientos, surgen nuevas incógnitas. A medida que contamos con más medios para observar el universo, descubrimos fenómenos para los cuales la física actual no tiene explicación. Por el momento la teoría del Big Bang sigue en pie y las cifras sobre la edad, densidad y velocidad de expansión del universo son congruentes. Lo que no sabemos es por qué está ahí, desafiando la ley de la simetría, por qué se expande más rápido de lo que debiera y de qué consta en el 96%. No es poco lo que nos falta saber.
* El hidrógeno tiene un electrón y peso atómico 1. El uranio tiene 92 electrones, es siete veces más grande y tiene un peso atómico 235.
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