Antimateria, la realidad invertida

Un profundo desequilibrio en nuestro universo nos muestra el camino para comprender mejor la composición de cuanto conocemos, incluidos nosotros.

El rastro curvo del primer positrón observado
en una cámara de niebla, fotografiado por
su descubridor.
(Foto D.P. de Carl D. Anderson,
vía Wikimedia Commons)

Era 1928 y el físico británico Paul Dirac trabajaba en el vertiginoso mundo de la física que bullía entre la teoría de la relatividad y la teoría cuántica, la primera que describía el comportamiento del universo a nivel cosmológico y la segunda a nivel subatómico, y que parecían contradecirse. ¿Era posible conciliar las dos teorías? Dirac lo logró a través de una ecuación (hoy conocida como “Ecuación de Dirac”) que describía el comportamiento del electrón conciliando la relatividad y la cuántica.

Este logro, considerado una de las más importantes aportaciones a la física del siglo XX, tenía varias implicaciones inquietantes. Como otras ecuaciones, tenía dos soluciones posibles (por ejemplo, x2=4 se puede resolver como 2x2 o -2x-2). Una de las soluciones describía a un electrón con carga negativa, como los que forman la materia a nuestro alrededor, y la otra describía una partícula idéntica en todos los aspectos salvo que tendría energía positiva. Un “antielectrón”.

Esto implicaba que existían, o podían existir, partículas opuestas a todas las que conocemos. Al protón, de carga positiva, correspondía un antiprotón, idéntico en todas sus características pero con carga eléctrica negativa. Y al neutrón, de carga neutra, correspondía un antineutrón también de carga neutra pero con partículas componentes de diferente signo. Las antipartículas se podrían unir para crear antimateria. Un positrón y un antiprotón, por ejemplo, formarían un átomo de antihidrógeno tal como sus correspondientes partículas forman el hidrógeno común.

De hecho, cuando Paul Dirac recibió en 1933 el Premio Nobel de Física por su aportación, dedicó su discurso a plantear cómo se podía concebir todo un antiuniverso, con antiplanetas y antiestrellas y cualquier otra cosa imaginable, incluso antitortugas o antihumanos, formados por átomos de antimateria y que funcionarían exactamente como la materia que conocemos. Una especie de imagen en negativo de la realidad que conocemos.

Porque la ecuación de Dirac tenía implicaciones aún más peculiares. Establecía que las antimateria estaba sujeta exactamente a las mismas leyes físicas que rigen a la materia y demostraba la simetría en la naturaleza. Siempre que se crea materia a partir de la energía lo hace en pares de partícula y antipartícula. Y, de modo correspondiente, que al encontrarse una partícula y su antipartícula, como un electrón y un positrón, se aniquilarían mutuamente convirtiéndose totalmente en energía.

La ecuación parecía matemáticamente sólida y coherente con lo conocido en la física, pero faltaba la demostración experimental que la validara. Comenzó entonces la búsqueda de la antimateria y sorprendentemente tuvo sus primeros frutos muy pronto. En 1932 Carl Anderson, en California, observó, en un dispositivo llamado cámara de niebla que se utiliza para estudiar partículas subatómicas por su rastro, una partícula con la misma masa de un electrón pero de carga positiva, producida al mismo tiempo que un electrón. Era la partícula predicha por Dirac, a la que Anderson bautizó como “positrón”. Pronto se confirmó que, efectivamente, al encontrarse con un electrón, ambas partículas se aniquilaban.

Carl Anderson obtuvo también el Nobel de física en 1936 por su trabajo experimental. Pero después hubo que esperar hasta 1955 para que aceleradores de partículas de gran energía en el CERN (antecesores del LHC) pudieran producir el primer antiprotón y un año más para que nos dieran el antineutrón y, después, algunos átomos de antimateria.

Entretanto, los cosmólogos habían desarrollado y confirmado la teoría del Big Bang como origen del universo, pero se enfrentaban a un problema: la simetría planteada por la ecuación de Dirac indicaba que al momento de aparecer el universo, se había creado necesariamente tanta materia como antimateria, tantos electrones como antielectrones, tantos quarks como antiquarks, pero… ¿dónde estaba esa antimateria que debería ser tan abundante como la materia? El universo que observamos contiene una proporción muy pequeña de antimateria (un antiprotón por cada 1000,000,000,000,000 protones), y todas las búsquedas de antimateria en nuestro universo han sido en vano. Para donde miremos, el universo parece hecho de materia común y ordinaria.

La ausencia de antimateria en nuestro universo podría ser simplemente la incapacidad experimental actual de encontrarla, o bien podría significar que la simetría propuesta a partir de Dirac (simetría CP, siglas de Carga y Paridad) no es perfecta, que hay alguna diferencia sustancial, relevante, entre la materia y la antimateria que haya provocado la prevalencia de la materia.

Actualmente, hay investigaciones avanzando bajo ambos supuestos. En la Estación Espacial Internacional y en distintos satélites y sondas se han colocado aparatos que buscan detectar rayos gamma que pudieran ser producidos por galaxias de antimateria en algún lugar de nuestro universo, y se buscan nuevas formas de encontrar el faltante. Quizá está en los bordes de lo que podemos observar, separado de la materia por algún fenómeno desconocido que abriría nuevos horizontes en la física.

Pero también hay experimentos y estudios destinados a explorar la simetría de la materia y la antimateria en busca de diferencias hasta ahora no apreciadas. Desde la década de 1960, se observó que hay una pequeña diferencia en la forma en que se degradan unas partículas llamadas mesones K y sus correspondientes antipartículas. Esta discrepancia podría ser el pequeño desequilibrio de la simetría que explicara por qué nuestro universo es como es.

Apenas en 2011, los científicos que trabajan en uno de los detectores del LHC en Ginebra, Suiza, encontraron datos que parecen indicar otra diferencia, en este caso de las partículas llamadas mesones D0, y sus antipartículas también decaen de modo distinto. Esto podría llevar a avances en la física que explicaran otros grandes misterios como la materia y la energía oscura y la forma en que se transmite la fuerza gravitacional.

Usted y los positrones La antimateria se utiliza los escáneres de tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés). En este procedimiento, se obtienen imágenes del cuerpo administrando un marcador radiactivo de vida muy corta (entre unos minutos y un par de horas) que emite positrones. Los positrones viajan alrededor de un milímetro dentro del cuerpo antes de aniquilarse con un electrón. Un escáner registra la energía, que se produce en forma de dos rayos gamma que viajan en direcciones opuestas, y un potente ordenador interpreta los resultados para crear una imagen tridimensional de gran fidelidad y utilidad en el diagnóstico médico.