Antimateria. ¿La partícula de Dios?

 

La novela de Dan Brown “Ángeles y Demonios” nos presentó a los lectores un término que si bien conocíamos algunos, nunca habíamos profundizado al respecto: “La Antimateria”; la cual es presentada por el libro como un arma mortífera y letal; y que pretendía ser utilizada para borrar al Vaticano de la faz de la tierra.

Pero, ¿Qué es la Antimateria? Y ¿Por qué se le conoce como “La Partícula de Dios”.

Toda la materia está compuesta por electrones, cargados negativamente y protones cargados positivamente. Así se puede decir que la antimateria es lo mismo que la materia pero con cargas opuestas. Así, en un átomo de antimateria encontramos en lugar de protones (positivos), antiprotones (negativos) y, en lugar de electrones (negativos), antielectrones o positrones (positivos). La antimateria al entrar en contacto con la materia se produciría un efecto llamado de aniquilación, o lo que es lo mismo la transformación de la materia en energía.

 

Historia.

El año de 1905 se considera como el segundo Año Milagroso en la historia “el Annus Mirabilis” (el primero fue en 1666, con sir Isaac Newton y sus revelaciones que cambiaron el mundo). En ese año, Einstein publicó 5 artículos en los Annalen der Physik que cambiarían la forma de ver el mundo y el Universo: Estableció los conceptos de la teoría de la relatividad especial, la equivalencia masa-energía (con la bien conocida ecuación E = mc2) y explicó el fenómeno fotoeléctrico. Con este último trabajo, Einstein obtuvo el premio Nobel en 1921, y sería el trabajo con el cual dicho genio demostraba que la luz tenía un comportamiento similar a pequeños paquetes, los denominados fotones.

En torno a esos años, hombres como J. J. Thomson, Robert Millikan, Ernst Rutherford y Niels Bohr, irían desentrañando una estructura básica del átomo. Pronto encontrando que ésta partícula básica de la materia estaba constituida por electrones girando en torno a un núcleo compuesto por protones y neutrones. Los electrones poseen una carga eléctrica negativa, los protones una carga positiva y los neutrones una carga neutra.

Paul Dirac

En 1928, el físico francés Paul Dirac combinó las ecuaciones de la mecánica cuántica y las de la relatividad especial de Einstein, con el fin de lograr una mejor descripción del comportamiento del electrón a velocidades relativistas (cercanas a la velocidad de la luz). Su trabajo reveló que existían dos soluciones a sus ecuaciones, una específica del electrón y otra para una partícula similar al electrón, pero de carga positiva. Inicialmente Dirac creyó que se trataba del protón, la partícula subatómica contenida en el núcleo con carga positiva descrita inicialmente por Rutherford en 1919. Sin embargo, el protón tiene una masa que es 1,836 veces la del electrón, por lo que esto no dejaba a Dirac completamente tranquilo. En 1931, Dirac expuso que esta nueva partícula no era el protón y que se trataba de una nueva partícula aún no descubierta, a la cual puso el nombre de anti-electrón. El nombre sería cambiado positrón. A sólo cuatro años de la primera especulación sobre la existencia del positrón, esta partícula subatómica fue detectada en los rayos cósmicos. En estos rayos, los fotones originan un par electrón-positrón, para que en una diezmillonésima de segundo sean aniquilados produciendo nuevamente un fotón. En ese entonces, nacía la física de las antipartículas, la física de la antimateria.

En 1930 se postuló la existencia de la antipartícula del protón, el llamado antiprotón. Fue hasta el año de 1955 en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California cuando fue descubierta esta nueva partícula subatómica. Su masa es igual a la del protón, pero la eléctrica carga es la opuesta, es decir, negativa. Poco tiempo después de obtener el antiprotón se obtuvo el anti-neutrón. Esta última partícula posee la misma masa y spin, con un momento magnético igual en magnitud, pero opuesto al del neutrón.

El deuterio es un isótopo del hidrógeno compuesto por un protón y un neutrón, y en el año de 1965 en el CERN se logró crear antideuterones, las antipartículas del deuterio (compuesto por un antiprotón y un antineutrón). En 1995, el CERN fue el primer laboratorio en crear 9 antiátomos de antihidrógeno en forma artificial. Sin embargo, al crear antimateria también se crea materia (“ordinaria”), produciéndose la aniquilación casi inmediata de ambas materias. Su estudio es importante, debido a que dicho fenómeno pudo haberse presentado en el nacimiento del Universo, en el Big Bang, con la producción de materia y antimateria en “casi” iguales cantidades. Y se dice “casi” iguales cantidades, debido a que la aniquilación de los pares de elementos materia-antimateria no fueron equilibrados, ya que actualmente tenemos un Universo compuesto de materia. Se especula que hubo cierto desequilibrio a favor de la materia, logrando acumular una mayor cantidad de la misma para la creación del Universo tal como lo conocemos actualmente. O tal vez exista la anti-materia, sólo que en otras regiones del Universo. Se trata pues, de un misterio cuya resolución está pendiente de realizarse.

Se debe mencionar que es muy difícil almacenar la antimateria. Cualquier contacto de la antimateria con la materia produce a la inmediata aniquilación de las partículas: La masa de ambas “materias” se convierte en energía pura. Por lo tanto, para aislar una antipartícula, se debe aislar de cualquier otra partícula, incluidas las presentes en el aire. Un problema mayor se presenta al tratar de almacenar antipartículas eléctricamente neutras, como los antineutrones o como antiátomos. En esta circunstancia es imposible utilizar campos magnéticos para contener antimateria neutral debido a que no poseen efectos sobre este tipo de antimateria neutral. Actualmente se están desarrollando trampas magnéticas (trampas que actúen en el momento magnético) y trampas ópticas (utilizando láseres) para poder contener este tipo de antimateria.

¿Qué usos puede tener la antimateria?

La antimateria puede tener diferentes usos:

- El primero como combustible.

Para imaginar lo potente que puede llegar a ser, con sólo 250 gramos de antimateria se podría llegar a Marte en 1 día y a la Luna en 8 minutos.

- El segundo sería como para producir energía.

La antimateria es la fuente de energía más poderosa conocida por el hombre. Libera una energía de una eficacia del cien por cien (la fisión nuclear posee una eficacia del uno y medio por cien). La antimateria no genera contaminación ni radiación, y una gota podría proporcionar energía eléctrica a toda Nueva York durante un día. Aunque la energía liberada por la aniquilación de los pares materia-antimateria tiene una eficacia del 100%, no puede utilizarse como fuente de energía. Esto se debe a que la antimateria no existe en la naturaleza, sino que debe ser creada, lo que en sí exige una gran cantidad de energía. Además debe agregarse el coste energético acarreado por el simple almacenamiento de la antimateria, lo que la hace inviable como fuente de energía. Para darnos una idea, solo un 0.000,000,01% de la energía invertida para crear la antimateria puede regresar a nosotros. Visto de otra forma, si se pudiera reunir toda la antimateria creada en el CERN (algo así como 10 nanogramos en total, es decir, 0.000,000,001 gramos) y se aniquilara con materia, solo se podría obtener suficiente energía para mantener encendida una bombilla eléctrica de 60 vatios por unas cuatro horas. Aun si el CERN fuera usado sólo para crear antimateria, este podría producir tan solo 0.000,000,001 gramo por año. Por lo tanto, para lograr obtener 1 gramo de antimateria, se requeriría mil millones de años con nuestra tecnología actual.

- El tercer uso que podría tener la antimateria, y desgraciadamente el más peligroso, sería el de armamento. Este proceso de aniquilación materia-antimateria podría ser empleado como el explosivo más potente que pueda imaginarse. Un gramo de antimateria al unirse con un gramo de materia produciría una energía capaz de lanzar 1 millón de toneladas de material a casi 20000 metros de altura. O lo que es lo mismo, la potencia de veinte kilones, es decir, la potencia de la bomba que fue lanzada sobre Hiroshima.

   

Pero además de todo esto, la antimateria tiene muchas limitaciones:

- No existe en el mundo conocido antimateria relativamente disponible.

- Hasta ahora, en el proceso de obtener una unidad de energía como antimateria hemos de gastar previamente 100 millones más de energía.

- La eficacia del almacenamiento actual de antiprotones es tan solo del orden del 1%.

- Si toda la capacidad se usara para producir antiprotones, los resultados finales al cabo de un año únicamente servirían para mantener encendida una lámpara de 100 vatios durante 3 segundos.

- Si se acudiera a usar toda la capacidad mundial de antimateria producible la lámpara no podría estar encendida más de 6 minutos.

- Todas las reservas energéticas mundiales existentes de carbón, gas y petróleo, una vez convertidas en antiprotones, con los rendimientos actuales, producirían una energía insuficiente para que un automóvil pudiese dar la vuelta a España haciendo un recorrido costero.

La antimateria no es algo que abunde en la naturaleza. Por lo tanto, para estudiarla hay que crearla. La fórmula del CERN es la de emplear una enorme cantidad de energía enfocada en un espacio muy pequeño, tras lo cual se crean pares de partículas-antipartículas. Dicho de otra forma, la energía se transforma en masa de materia y antimateria en cantidades iguales. De esta antimateria producida, la mayoría no puede ser atrapada debido a su gran cantidad energía, por lo que se utiliza el llamado Desacelerador de antiprotones, el que disminuye la velocidad de los antiprotones desde el 96% de la velocidad de la luz al 10%, permitiendo “atrapar” una ínfima cantidad de antimateria producida en los experimentos del CERN.

Para producir antimateria se requiere mil millones de veces más energía que la contenida en su masa. Dado que E=mc2, un gramo de antimateria contiene: 0.001 kg x (300, 000,000 m/s)2 = 90,000 GJ (gigajoules) = 90,000,000,000,000 joules. Esto equivale a 25 millones de watts/hora. Para darnos una idea, el consumo promedio mundial de energía por persona al año es de 65 GJ (en India es de 10 GJ, en China de 40 GJ, en Europa de 140 GJ y en EUA de 360 GJ). Un kilotón equivale a 4,184 GJ y las bombas nucleares que se encuentran en rangos de kilotones se denominan como bombas nucleares tácticas. Las bombas nucleares que se encuentran dentro del rango de los megatones (1 megatón es igual a 1,000 kilotones o 4,184,000 GJ) se denominan como bombas nucleares estratégicas. La bomba más grande detonada fue de 50 megatones (la bomba del Zar, de la desaparecida URSS), con una bola de fuego de 4.6 km. Como comparativo, la bomba detonada en Nagasaki (llamada Fat Man) fue de 20 kilotones, una bola de fuego de 0.2 km y un radio de destrucción de 1.6 kilómetros. La bomba nuclear más grande construida por EUA fue la B41, de 15 megatones y una bola de fuego de 2.84 km. Por lo tanto, los 90,000 GJ de 1 gramo de antimateria pueden producir una explosión de 21 kilotones, apenas poco más que la bomba Fat Man, y casi 2,400 veces menos intensa que la bomba jamás construida por el hombre. Fat Man pesaba 4 toneladas y media, comparado con solo 1 gramo de antimateria para producir la mis-ma fuerza de destrucción. Por su parte, la bomba del Zar pesaba 27 toneladas, en tanto que una bomba de antimateria con la misma fuerza de destrucción solo debería pesar 2 kilogramos y medio.

Algunos datos

1.- Conseguir 1 gr de antima-teria demandaría 1,000 millones de años con la tecnología actual del CERN.

2.- El transporte de antimateria demandaría dispositivos sumamente pesados debido a los imanes y a la fuente de energía de los mismos.

3.- 1 gramo de antimateria supondría una explosión con una fuerza similar a la bomba nuclear detonada en Nagasaki.

4.- La antimateria no es la llamada particula de Dios. El apodo pertenece al bosón de Higgs, una hipotética partícula responsable de brindar la masa a los fermiones.

5.- La única antimateria que puede almacenarse por escaso tiempo son los positrones o los antiprotones. Partículas neutras como los antiátomos o los antineutrones son imposibles de almacenar con las trampas a base de imanes.

6.- En toda la historia del CERN, solo se ha producido 10 nano-gramos (0.000,000,01 gr) de antimateria, suficiente para encender una bombilla eléctrica por pocas horas.

¿La antimateria es la partícula de Dios?

El término de “la partícula de Dios” fue acuñado en 1993 por el físico Leon Lederman en su libro “La partícula de Dios: Si el Universo es la respuesta, ¿Cuál es la pregunta?”. En dicho libro, Lederman hace referencia al bosón de Higgs. Esta partícula fue teorizada en 1964 y nunca ha sido observada. Sin embargo, es una pieza perdida dentro del Modelo Estándar, la rama de la física encargada de describir las partículas elementales y sus interacciones. Dentro de este Modelo, se ha sugerido que poco después del Big Bang todas las partículas no tenían masa y que al ir disminuyendo la temperatura se fue creando un campo conocido como el “campo de Higgs” junto con su partícula asociada, el “bosón de Higgs”. Las partículas que interactuaron con el bosón de Higgs adquirieron masa en forma proporcional: Aquellas con mucha interacción vinieron a ser partículas con mayor masa, en tanto las que no tuvieron interacción no adquirieron masa.

Aunque señalada como la partícula de Dios, sólo se trata de un término elegante para ilustrar el efecto ubicuo del campo de Higgs así como su importancia en determinar la masa de lar partículas subatómicas. Por lo tanto, la antimateria no tiene que ver directamente con la mencionada partícula de Dios.

.

Para la elaboración de este articulo se utilizaron las siguientes fuentes:
http://www.tauzero.org/2009/05/antimateria-lo-que-no-se-vio-en-angeles-y-demonios/
http://www.revista.dominicas.org/antimateria.htm

 

ARTICULOS RELACIONADOS

Dan Brown ¿Mediocre o Genio?

Dios y la Nada.

Como llegamos aquí? (Big Bang)

Caracteristicas de Dios: Omnipotencia

"La incompatibilidad entre ciencia y religión es simplemente ésta: un científico no creerá nada hasta que lo vea; un hombre religioso no verá nada hasta que no crea en ello."         Charles J. C. Lyell