La ciencia en el mundo

por Gregory T. Pope

El problema con la antimateria

¿Ha despertado alguien con sudores fríos preguntándose por qué no está hecho de antimateria? La mayoría no pensamos en eso. Pero el predominio de la materia sobre la antimateria es una de esas preguntas trascendentales que obscurecen las ojeras bajo de los ojos de los físicos.

       Aunque la antimateria abunda en los cuartos de máquinas de las naves espaciales de la ciencia-ficción, en la vida real es perturbadoramente rara. Nuestro mundo de materia contiene átomos formados por electrones con carga negativa que giran en órbita alrededor de un núcleo con carga positiva. En la antimateria es al revés, pues los electrones cargados positivamente (llamados positrones) giran en órbita alrededor de un nucleo con carga negativa. Pero cuando los astrofísicos en los observatorios escudriñan el universo buscando que la antimateria ocurra de forma natural y espontánea, se quedan deseosos. Sólo sus colegas, que en los aceleradores comprimen a las partículas atómicas, pueden crear corrientes de antimateria y satisfacer su objetivo.

       "Para una persona como yo, no hay nada misterioso con respecto ala antimateria", dice Jonathan Dorfan, un físico de partículas del Centro Acelerador Stanford Linear (SLAC). "Pero hay algo muy misterioso con respecto al hecho de que nosotros tenemos que producirla, ya que no es encontrada en ninguna forma estable".

       La escasez de la antimateria, explica Dorfan, altera la placentera visión simétrica del mundo en que descansa la física. Es cierto, los teóricos han hallado varios vacíos en las leyes de la naturaleza que pudieran explicar el desbalance existente entre la materia y la antimateria. Pero ninguno de ellos ha sido expuesto con la elegancia que merecen los físicos y tampoco ninguno ha sido bien respaldado con la experimentación.

       No obstante, todo eso deberá cambiar después del año 1999, cuando la fábrica B Factory abra sus puertas a los negocios. Ahora bajo construcción en SLAC, en Stanford, California, la B Factory es una nueva instalación experimental concebida para resolver, de una vez por todas, el problema de la antimateria.

       A diferencia del igualmente ambicioso generador de impactos de superconductividad, el Superconducting Supercollider, que el Congreso de los E.U.A. frustró debido a su alto costo, la B Factory con certeza parece que llegará a ser terminada. Con un costo alrededor de los US$177 millones, la máquina es una ganga para la ciencia en grande. En vez de construirla de la nada, los físicos mejorarán un productor de impactos súbitos ("collider") existente en SLAC, que es un laboratorio del Departamento de Energía regido por la Universidad de Stanford.

      Ese generador de impactos, llamado Proyecto Positrón-Electrón (PEP), en la actualidad azota una cámara de almacenamiento con electrones y positrones de alta energía, antes de hacerlos que choquen entre sí de frente. Para convertirse en la B Factory, PEP obtendrá una segunda cámara, que será fabricada para que los electrones y los positrones hagan colisión con energías poco usuales.

       Los físicos hacen chocar entre sí a las partículas familiares, para formar otras partículas poco familiares de corta vida, las que entonces revelan algo sobre la composición de la materia familiar. Y es eso exactamente lo que la B Factory hará. SLAC está construyendo su fábrica para producir enormes cantidades de las partículas conocidas como mesones o mesotrones B (partícula electrizada de los rayos cósmicos, que en estado de reposo tiene una masa comprendida entre las del electrón y la del protón).

       Para comprender porqué los mesones B encierran la clave de la interrogante sobre la antimateria, es necesario realizar un recorrido alrededor del sobrecogedor mundo de la física teórica.

       Allá en la década de 1950, los científicos creían que podían explicar la interacción entre las fuerzas físicas y las partículas con un modelo teórico. Una simetría limpia llenaba este conjunto de reglas. Un punto importante del libro de reglas era que las leyes de la física deberían ser exactamente iguales en otro mundo que fuera su propio reflejo en un espejo (exactamente igual, pero invertido). Ese es un mundo en el cual, por ejemplo, una partícula atómica dada giraría de derecha a izquierda en vez de hacerlo de izquierda a derecha.

       Todo marchó bien hasta que dos físicos norteamericanos descubrieron que un cierto tipo de desintegración atómica, gobernada por una ley física, violaba la simetría de la imagen en el espejo. Al arruinar una teoría perfectamente atractiva, esos investigadores ganaron Premios Nóbel. Sin embargo, por fortuna quedó demostrado que la violación encontrada por ellos ocurría con plena fuerza en un 100% de las veces, lo que llevó a los físicos a creer que su teoría tenía una falla simple. Y esto resultó ser cierto: para hacer que las leyes físicas se cumplan en un mundo que es su imagen en un espejo, era necesario hacer algo más que cambiar la derecha y la izquierda. También era necesario reemplazar la materia con la antimateria. Y este concepto le restauró su simetría a la física de las partículas.

       Pero en el año 1962, otros dos científicos encontraron otra forma de desintegración atómica, que dañaba esta simetría {de nuevo ganaron Premios Nóbel). Este nuevo descubrimiento, desafortunadamente, no pudo ser explicado tan fácilmente. Sin embargo, este tecnicismo significa, en esencia, que un mundo de la antimateria se debe comportar de forma diferente aun mundo de la materia.

      Conocida en física como la "violación CP", la discrepancia pudiera explicar el porqué la materia gobierna el cosmos. Las actuales teorías sobre la creación del universo se basan en el antiguo fenómeno conocido como la Gran Explosión ("The Big Bang"). Al igual que los experimentos en los aceleradores de alta energía producen cantidades iguales de materia y antimateria, los físicos reconocen que así debió haber ocurrido con la Gran Explosión. Pero cuando normalmente la materia y la antimateria se tocan, ambas desaparecen en un destello de energía.

       "Luego de la Gran Explosión", dice Dorfan, el líder del proyecto de la B Factory , "la materia y la antimateria debieron haberse aniquilado la una a la otra. Gracias a Dios la materia ganó esta guerra, o no estuviéramos aquí. Talmente parece que la violación CP desequilibró un poco el balance en favor de la materia".

       El legendario físico ruso, Andrei Shakharov, es uno de los que piensa que la violación CP debe de haber estado detrás de la victoria de la materia. Todavía, en realidad, nadie sabe qué es lo que causa la violación CP. Y es aquí donde entran los mesones B. Sucede que los mesones B y sus contrafiguras, los mesones anti-B, son más susceptibles a la violación CP que ninguna otra partícula.

       Pero, así y todo, solamente uno de cada 100.000 mesones B muestra este raro fenómeno, que se manifiesta como una desintegración de las partículas. Pero debido a que sus electrones y positrones contarán con el mismo ímpetu en sus colisiones, la B Factory producirá mesones B en movimiento. Este movimiento esparcirá entre sí a las partículas más lejos que lo usual. Los físicos serán capaces de identificar a aquéllas que desean, y estudiar sus desintegraciones con una precisión nunca antes lograda.

       La B Factory le permitirá a los experimentadores comparar la violación CP tanto en los mesones B como en los mesones anti-B. El resultado: un amplio conjunto de mediciones, con suficiente alcance como para probar teorías competidoras sobre la violación CP .Con esto en mano, los teóricos deberán ser capaces de incorporar una relación de esos fenómenos dentro de las leyes de la física de las partículas. Este será un paso más hacia el verdadero entendimiento del universo. Y para un puñado de físicos, tal vez signifique una noche de sueño reparador.

¿Dónde está el universo de la antimateria...?

La antimateria es definida como una variedad de la materia que difiere de la materia que predomina en nuestra parte del universo, y que está compuesta de antipartículas en lugar de partículas. Las antipartículas individuales, muchas de las cuales han sido halladas en las lluvias de rayos cósmicos o producidas en laboratorios en los aceleradores de partículas, difieren de sus contrafiguras (en el reflejo del espejo) en que están eléctricamente cargadas de forma opuesta y el giro de su orientación magnética es en sentido contrario. En nuestra parte del universo las antipartículas tienen una vida muy corta, pues rápidamente son aniquiladas en colisiones contra sus partículas correspondientes, apareciendo la energía de su masa en la forma de un fotón de rayo gamma (el fotón es la unidad de .la intensidad de la luz).

       La primera antipartícula en ser descubierta fue el positrón (éste es el antielectrón). Este descubrimiento del físico norteamericano, C.D. Anderson, en el año de 1932, le valió ganar el Premio Nóbel. de 1936. Pero cuatro años antes, el físico inglés, P.A. Dirac, uno de los creadores de la mecánica de los quanta (el fundamento de la física moderna) teóricamente ya había predicho la existencia de la antimateria.

       Pero hasta este momento ningún intento de encontrar un orden teórica en la actual multitud de antipartículas conocidas ha demostrado ser completamente exitoso, pues éstas son altamente inestables y tienen vidas muy cortas. Sólo conocemos las leyes de la materia, porque en esta parte del universo la antimateria no existe de forma espontánea y natural.

       Sin embargo, de ninguna manera es inconcebible que existan otras regiones del universo en las cuales toda la materia sea antimateria, es decir: que esa variedad de la materia esté compuesta de lo que para nosotros es la antimateria.

       ¿Dónde está el universo de la antimateria? Es completamente imposible señalar un lugar especifico, pero potencialmente éste puede existir. Para poder imaginar esa región desconocida es suficiente que un teórico, de una forma simplista, se valga un poco de la especulación.

       La llamada "violación CP" puede haber contribuido a que con la "Gran explosión" las partículas y las antipartículas básicamente fueran lanzadas a dos extremos opuestos del universo (lo que ocurre dentro de los confines del acelerador de un laboratorio), pero no perdamos de vista que en el universo es infinito en apariencia (aunque al menos sí conocemos que es inmenso).

       Ciertamente, con la explosión no todas las partículas y antipartículas necesariamente tuvieron que haberse apartado de manera tan absoluta en dos polos opuestos, y las que sí coexistieron momentáneamente se destruyeron mutuamente en el conocido destello de energía. Eso precisamente debió haber ocurrido en una región central en donde evidentemente no quedó vestigio de materia ni de antimáteria, solamente un inmenso espacio vacío. ¿Acaso no satisface esto el principio del reflejo en el espejo? Por lo tanto, ese universo de la antimateria tiene que estar muy alejado del universo de la materia, ya que nosotros sabemos que hemos sobrevivido en esta región.

       ¿Y que sucede en ese otro Universo, donde los átomos tienen electrones cargados positivamente (positrones) que giran alrededor de núcleos negativos? Lo opuesto que en éste. Sus físicos en los laboratorios estarán produciendo partículas de materia en la cuales los electrones cargados negativamente giran en órbita alrededor de un núcleo positivo, las que allá tienen muy corta vida porque son destruidas por las antipartículas. Y, al igual que nosotros, pero a la inversa, creerán que la "violación CP" trabajó a favor de la antimateria. -Leo Naya

Fuente: Revista Mecánica Popular - Volumen 47 - Septiembre 1994 - Número 9