La antimateria es parte de la ciencia ficción. En el libro y la película "Angeles y Demonios", el profesor Langdon trata de salvar a la Ciudad del Vaticano de una bomba antimateria. La nave estelar Enterprise de Star Trek usa propulsión de aniquilación de material antimateria para viajar más rápido que la luz.
Pero la antimateria también es parte de la realidad. Las partículas de antimateria son casi idénticas a sus equivalentes de materia, excepto que llevan la carga y el giro opuestos. Cuando la antimateria se encuentra con la materia, inmediatamente se aniquilan totalmente en energía.
Si bien las bombas antimateria y las naves espaciales con antimateria son inverosímiles, todavía hay muchos hechos sobre la antimateria que harán cosquillas a las células cerebrales.
1. La antimateria debería haber aniquilado toda la materia en el universo después del Big Bang.
Según la teoría, el Big Bang debería haber creado materia y antimateria en cantidades iguales. Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan, dejando atrás solo energía. Entonces, en principio, ninguno de nosotros debería existir.
Pero lo hacemos. Y en lo que respecta a los físicos, es solo porque, al final, había una partícula de materia extra por cada mil millones de pares materia-antimateria. Los físicos están trabajando arduamente para tratar de explicar esta asimetría.
2. La antimateria está más cerca de vos de lo que creés.
Constantemente caen pequeñas cantidades de antimateria sobre la Tierra en forma de rayos cósmicos, partículas de muy alta energía del espacio. Estas partículas de antimateria alcanzan nuestra atmósfera a una tasa que varía desde menos de una por metro cuadrado hasta más de 100 por metro cuadrado. Los científicos también han visto evidencia de producción de antimateria por encima de las tormentas eléctricas.
Pero otras fuentes de antimateria están aún más cerca de casa. Por ejemplo, los plátanos producen antimateria, liberando un positrón, el equivalente de antimateria de un electrón, aproximadamente cada 75 minutos. Esto ocurre porque los plátanos contienen una pequeña cantidad de potasio-40, un isótopo de potasio natural. A medida que el potasio-40 se descompone, de vez en cuando emite un positrón en el proceso.
Nuestros cuerpos también contienen potasio-40, lo que significa que también emiten positrones. La antimateria se aniquila inmediatamente al contacto con la materia, por lo que estas partículas de antimateria son de muy corta vida.
3. Los humanos han creado solo una pequeña cantidad de antimateria.
Las aniquilaciones de materia de antimateria tienen el potencial de liberar una gran cantidad de energía. Un gramo de antimateria podría producir una explosión del tamaño de una bomba nuclear. Sin embargo, los humanos han producido solo una cantidad minúscula de antimateria.
Todos los antiprotones creados en el acelerador de partículas Tevatron de Fermilab suman solo 15 nanogramos. Los hechos en CERN ascienden a aproximadamente 1 nanogramo. En DESY en Alemania, hasta la fecha se han producido aproximadamente 2 nanogramos de positrones.
Si toda la antimateria jamás creada por los humanos fuera aniquilada de inmediato, la energía producida ni siquiera sería suficiente para hervir una taza de té.
El problema radica en la eficiencia y el costo de la producción y almacenamiento de antimateria. Hacer 1 gramo de antimateria requeriría aproximadamente 25 millones de millones de kilovatios-hora de energía y costaría más de un millón de millones de dólares.
4. Existe una trampa antimateria.
Para estudiar la antimateria, debes evitar que se aniquile con la materia. Los científicos han creado formas de hacer justamente eso.
Las partículas cargadas de antimateria, como los positrones y antiprotones, pueden mantenerse en dispositivos llamados trampas Penning. Estos son comparables a pequeños aceleradores. En el interior, las partículas giran en espiral a medida que los campos magnéticos y eléctricos evitan que colisionen con las paredes de la trampa.
Pero las trampas Penning no funcionarán en partículas neutras como el antihidrógeno. Debido a que no tienen carga, estas partículas no pueden ser confinadas por campos eléctricos. En cambio, se mantienen en trampas Ioffe, que funcionan al crear una región del espacio donde el campo magnético se agranda en todas las direcciones. La partícula se atasca en el área con el campo magnético más débil, muy parecido a un mármol rodando en el fondo de un cuenco.
El campo magnético de la Tierra también puede actuar como una especie de trampa antimateria. Se han encontrado antiprotones en zonas alrededor de la Tierra llamadas cinturones de radiación Van Allen.
5. La antimateria podría caerse.
Las partículas de antimateria y materia tienen la misma masa pero difieren en propiedades tales como la carga eléctrica y el centrifugado. El Modelo Estándar predice que la gravedad debería tener el mismo efecto sobre la materia y la antimateria; sin embargo, esto aún no se ha visto. Experimentos como AEGIS, ALPHA y GBARR están trabajando arduamente para tratar de averiguarlo.
Observar el efecto de la gravedad sobre la antimateria no es tan fácil como ver una manzana caer de un árbol. Estos experimentos deben mantener la antimateria en una trampa o desacelerarla enfriándola a temperaturas justo por encima del cero absoluto. Y debido a que la gravedad es la más débil de las fuerzas fundamentales, los físicos deben usar partículas neutras de antimateria en estos experimentos para evitar la interferencia de la fuerza eléctrica más poderosa.
6. La antimateria se estudia en desaceleradores de partículas.
Has oído hablar de los aceleradores de partículas, pero ¿sabías que también hay desaceleradores de partículas? CERN alberga una máquina llamada Antiproton Decelerator, un anillo de almacenamiento que puede capturar y ralentizar los antiprotones para estudiar sus propiedades y comportamiento.
En aceleradores de partículas circulares como el Gran Colisionador de Hadrones, las partículas obtienen un impulso de energía cada vez que completan una rotación. Los desaceleradores funcionan a la inversa; en lugar de un impulso de energía, las partículas retroceden para disminuir la velocidad.
7. Los neutrinos podrían ser sus propias antipartículas.
Una partícula de materia y su compañero antimateria tienen cargas opuestas, lo que las hace fáciles de distinguir. Los neutrinos, partículas casi sin masa que rara vez interactúan con la materia, no tienen carga. Los científicos creen que pueden ser partículas de Majorana, una clase hipotética de partículas que son sus propias antipartículas.
Proyectos como Majorana Demonstrator y EXO-200 tienen como objetivo determinar si los neutrinos son partículas de Majorana buscando un comportamiento llamado decaimiento doble beta sin neutrinos.
Algunos núcleos radiactivos simultáneamente se descomponen, liberando dos electrones y dos neutrinos. Si los neutrinos fueran sus propias antipartículas, se aniquilarían mutuamente después de la doble descomposición, y los científicos solo observarían los electrones.
Encontrar neutrinos Majorana podría ayudar a explicar por qué existe la asimetría de la materia y antimateria. Los físicos plantean la hipótesis de que los neutrinos Majorana pueden ser pesados o ligeros. Los ligeros existen hoy en día, y los pesados solo habrían existido inmediatamente después del Big Bang. Estos pesados neutrinos Majorana habrían decaído asimétricamente, lo que llevaría al pequeño exceso de materia que permitió la existencia de nuestro universo.
8. La antimateria se usa en medicina.
La PET (tomografía por emisión de positrones) usa positrones para producir imágenes de alta resolución del cuerpo. Los isótopos radiactivos que emiten positrones (como los que se encuentran en los plátanos) están unidos a sustancias químicas como la glucosa que el cuerpo utiliza de forma natural. Estos se inyectan en el torrente sanguíneo, donde se degradan naturalmente, liberando positrones que se encuentran con los electrones en el cuerpo y se aniquilan. Las aniquilaciones producen rayos gamma que se utilizan para construir imágenes.
Los científicos del proyecto ACE del CERN han estudiado la antimateria como un candidato potencial para la terapia contra el cáncer. Los médicos ya han descubierto que pueden atacar los tumores con haces de partículas que liberarán su energía solo después de pasar de manera segura a través del tejido sano. Usar antiprotones agrega un estallido extra de energía. Se descubrió que la técnica es efectiva en células de hámster, pero los investigadores todavía tienen que realizar estudios en células humanas.
9. La antimateria que debería haber evitado que existiéramos aún podría estar al acecho en el espacio.
Una forma en que los científicos intentan resolver el problema de la asimetría de la materia antimateria es buscando la antimateria que queda del Big Bang.
El Espectrómetro Magnético Alfa es un detector de partículas que se encuentra encima de la Estación Espacial Internacional en busca de estas partículas. AMS contiene campos magnéticos que doblan el camino de las partículas cósmicas para separar la materia de la antimateria. Sus detectores evalúan e identifican las partículas a medida que pasan.
Las colisiones de rayos cósmicos producen rutinariamente positrones y antiprotones, pero la probabilidad de crear un átomo de antihelio es extremadamente baja debido a la gran cantidad de energía que requeriría. Esto significa que la observación de incluso un solo núcleo de antihelio sería una fuerte evidencia de la existencia de una gran cantidad de antimateria en algún otro lugar del universo.
10. La gente en realidad está estudiando cómo alimentar las naves espaciales con antimateria.
Solo un puñado de antimateria puede producir una gran cantidad de energía, por lo que es un combustible popular para vehículos futuristas en ciencia ficción.
La propulsión con cohetes antimateria es hipotéticamente posible; la principal limitación es reunir suficiente antimateria para que suceda.
Actualmente no hay tecnología disponible para producir en masa o recolectar antimateria en el volumen necesario para esta aplicación. Sin embargo, un pequeño número de investigadores han realizado estudios de simulación sobre propulsión y almacenamiento. Estos incluyen a Ronan Keane y Wei-Ming Zhang, quienes hicieron su trabajo en Western Reserve Academy y Kent State University, respectivamente, y Marc Weber y sus colegas en la Universidad Estatal de Washington. Algún día, si podemos encontrar una manera de crear o recolectar grandes cantidades de antimateria, sus estudios podrían ayudar a que los viajes interestelares impulsados por antimateria se hagan realidad.
Este artículo es traducción del original en inglés "Ten things you might not know about antimatter" publicado en el más que recomendable "Symmetry", boletín online de Fermilab/SLAC.
Crédito de la imagen: Fermilab/SLAC
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