Antimateria
La antimateria es un tipo especial de materia compuesta de partículas subatómicas similares a las de la materia ordinaria, pero con propiedades opuestas. En este sentido, podemos pensar la antimateria como una gemela de casi todas las partículas subatómicas que encontramos en el universo.
La materia ordinaria se forma a partir de la combinación de partículas como protones, electrones y neutrones, que forman átomos. Los átomos forman moléculas, que juntándose a otras, componen la masa y el volumen de las cosas sólidas, líquidas y gaseosas que observamos en el mundo.
A diferencia de esto, la antimateria está formada por antiprotones, positrones y antineutrones. De hecho, toda partícula subatómica tiene su correspondiente en la antimateria: antiquarks, antileptons, etc., o se halla en los límites entre la materia y la antimateria, como los neutrinos.
Dicho esto, las cargas opuestas de las partículas se expresan en que los antiprotones tienen la misma masa que los protones, pero con carga negativa en lugar de positiva. Los positrones son equivalentes a los electrones, pero con carga positiva. Los antineutrones, aunque son neutros eléctricamente como los neutrones, tienen su momento magnético opuesto.
Las antipartículas mencionadas pueden combinarse para conformar antiátomos, aunque estos son raros, difíciles de producir y de almacenar. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno se formaría con un antiprotón (cuya carga es negativa, en el núcleo), y un positrón (carga positiva), que orbita a su alrededor.
Teóricamente, se puede suponer que hay regiones formadas por antimateria en el universo, aunque esto no ha sido observado. Estas regiones obedecerían a las mismas leyes físicas de la materia.
No obstante, si la materia y la antimateria hacen contacto, se produce un fenómeno físico conocido como "aniquilación". Esto se da porque las partículas se destruyen, lo que convierte a su masa en energía liberada en fotones de alta energía (rayos gamma).
En el universo que conocemos, la materia es preponderante. La antimateria es fugaz, y desaparece al entrar en contacto con la materia. El por qué hay muchísima menos antimateria que materia es todavía un enigma en la comunidad científica que se busca resolver.
Para qué sirve la antimateria
La antimateria es escasa en el universo y muy difícil de producir. Sin embargo, ya hay antipartículas que tienen aplicaciones tecnológicas que benefician a los estudios médicos. Uno de estos casos es el de las TEP (Tomografías por emisión de positrones). Las antipartículas permiten obtener imágenes del cuerpo que ayudan a hacer mejores diagnósticos.
Otros investigadores están buscando la posibilidad de utilizar antipartículas para el tratamiento del cáncer. Entre estos tratamientos se ha propuesto la protón-terapia. Con esta se intentará usar el haz de protones para atacar células cancerígenas de modo preciso, y sin tantos efectos dañinos como los que tienen los tratamientos actuales.
Los científicos especulan que la antimateria podría ser una gran fuente de energía. No obstante, con la tecnología actual aún no se puede almacenarla ni usarla con este fin. Los motores antimateria, en los que fuera posible dirigir la aniquilación materia/antimateria, liberarían energía suficiente incluso para llevar adelante viajes interestelares.
La antimateria también tendría el potencial de ser usada como arma. La alta liberación de energía que tiene la "aniquilación" daría paso a la elaboración de bombas (hipotéticamente) incluso más destructivas que las nucleares. Esto, por supuesto, conllevaría problemas éticos que se escapan del ámbito de la física.
Cómo se hace la antimateria
La antimateria no es abundante en el cosmos, y su detección procede de fenómenos como los rayos cósmicos, y algunos procesos de decaimiento radiactivo.
Las partículas de alta energía en rayos cósmicos viajan por el espacio a casi la velocidad de la luz. Cuando tales rayos entran en contacto con la Tierra, ha sido posible para los científicos detectar antipartículas.
También se conoce que en las reacciones nucleares, como la desintegración beta de algunos isótopos radiactivos, generan la emisión de antipartículas. Por ejemplo, el Sodio-22 (²²Na) es un isótopo radiactivo que emite positrones durante su decaimiento beta positivo (β+).
En ese caso, un protón dentro del núcleo se convierte en neutrón, emitiendo un positrón (la antipartícula del electrón), además de un neutrino electrónico.
Producción en los colisionadores de partículas
La antimateria existe, y ya que se conocen sus propiedades, es posible producirla bajo condiciones experimentales muy específicas, complejas y costosas. En el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN se ha podido obtener la formación de antipartículas, bajo procesos de aceleración y colisión de partículas.
Las antipartículas no se obtienen naturalmente, ya que su contacto con cualquier partícula de materia ordinaria las aniquila. Mientras, en los colisionadores se aprovechan las cualidades del vacío cuántico. Así, cuando un protón colisiona a altísima velocidad con otras partículas, se genera un chorro de partículas en el vacío.
En este chorro de partículas hay antiprotones (se cálcula que 1 por cada 100 millones de partículas), los cuales pueden ser seleccionados por los científicos. Los positrones (antielectrones), por otra parte, se obtienen a partir de procesos de desintegración beta, tal como el generado por el Sodio-22.
La unión de antiprotones y antielectrones en antiátomos de hidrógeno se lleva a cabo en la Fábrica de Antimateria del CERN. Allí se reduce la velocidad de los antiprotones y se enfrían para que se puedan juntar a los antielectrones. Para ello se precisa de campos eléctricos finamente diseñados, en los que se evita que las antipartículas toquen cualquier pared o superficie de los aparatos utilizados.
El precio de 1 gramo de antimateria se estima en 60 billones de dólares. Si tomamos en cuenta que el diamante tiene un valor de entre 50 mil y 200 mil dólares por gramo, según su calidad, color y belleza, entonces observamos que la antimateria es hasta 1 millón de veces más cara.
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Cuándo se descubrió la antimateria
De forma atípica a como suele ocurrir en la ciencia, la antimateria no fue descubierta mediante un experimento. El concepto de antimateria surgió primero como un producto teórico, expresado mediante una ecuación matemática elaborada por Paul Dirac, en 1928.
La ecuación de Dirac emergió cuando este físico procuraba describir a los electrones conciliando las fórmulas de la Cuántica y de la Relatividad. Antes, la ecuación de Schrödinger había establecido las bases teóricas de la Mecánica Cuántica. Su ecuación expresaba:
Aunque muy importante para describir el comportamiento de las partículas subatómicas de la materia, la ecuación de Schrödinger tiene la limitación de tratar con el concepto de energía de la física clásica. Lo cual hace que la fórmula no se pueda ocupar en la física relativista.
La ecuación que describe la energía en la física relativista es:
Esta alcanza a tener dos soluciones idénticas, pero de signo contrario. Esto es +E, para todas las partículas ordinarias, y -E, que no parecía tener sentido físico. Pero Dirac la propuso para indicar la energía de un nuevo tipo de partículas: las antipartículas. Estas fueron imaginadas como producto de una intuición razonada, mas no de experimentos en laboratorios.
La ecuación de Dirac entonces se expresó así:
Los postulados de Dirac cobraron validez empírica en 1932 cuando el físico Carl David Anderson identificó una primera antipartícula, el positrón (esto es, un antielectrón, pues su carga era positiva). Anderson dio con esta antipartícula mientras estudiaba rayos cósmicos.
Al analizar una traza en su cámara de niebla, Anderson vio una trayectoria curva de una partícula con la misma masa que un electrón. Sin embargo, esta se desviaba en dirección opuesta a la esperada para un electrón en un campo magnético. Su carga entonces era positiva y no negativa, como la de los electrones ordinarios.
Este descubrimiento del positrón confirmó las predicciones de Dirac, y abrió un campo nuevo al estudio de las partículas que componen el universo.
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Cómo citar: Asth, Rafael (15/10/2024). "Antimateria". En: Significados.com. Disponible en: https://www.significados.com/antimateria/ Consultado:
