El hipernúcleo de antimateria más pesado jamás creado (y no es una novela de Dan Brown)

Recientemente, un grupo de físicos del Instituto de Física Moderna de la Academia China de Ciencias ha fabricado por primera vez un hipernúcleo de antimateria, el más pesado observado hasta la fecha: antihiperhidrógeno-4. Como no podría ser de otra manera, el trabajo ha sido publicado en Nature.

Pero ¿qué es esto de la antimateria? ¿Es tan peligrosa como nos hizo pensar Dan Brown en su best seller Ángeles y Demonios? Pues sí, pero no. La realidad es que es tan difícil de fabricar que conseguir acumular una cantidad preocupante nos llevaría miles de millones de años.

Antimateria, el archienemigo de la materia

En cierto modo, la materia y la antimateria son enemigos públicos, porque en el caso de que se encontrasen se aniquilarían sin dudarlo, pero seamos más técnicos.

La antimateria está constituida por antipartículas. Una antipartícula tiene la misma masa y el mismo estado de espín que su partícula de materia correspondiente, pero carga inversa (obviemos aquí otra serie de propiedades cuánticas).

Un ejemplo de pareja partícula-antipartícula son el electrón y el positrón. La diferencia fundamental entre ambas es su carga eléctrica. La del electrón es negativa y la del positrón es positiva. El resto de propiedades, como masa y espín, son iguales. Su aniquilación puede dar lugar a fotones de distintas energías y a otras partículas pesadas, dependiendo de la energía cinética inicial que tuvieran antes de destruirse.

Modelo estándar de antipartículas

Ha pasado algo más de un siglo desde que se descubrió la primera partícula subatómica. Fue en 1897 cuando J. J. Thomson anunció la naturaleza corpuscular de los rayos catódicos y el descubrimiento de una partícula que él llamo corpúsculo. Posteriormente tomó el nombre de electrón.

Tras este hito, se han descubierto gran cantidad de partículas fundamentales. Bosones, encargados de las interacciones o fuerzas fundamentales, y fermiones, que conforman la materia. Por lo tanto, para cada bosón deberá existir un antibosón.

La primera antipartícula detectada fue el positrón, en 1932, por parte de Carl Anderson, mientras estudiaba los rayos cósmicos utilizando una cámara de niebla. Alrededor de 20 años más tarde, Segré y Charberlain utilizaron un acelerador de partículas para determinar la existencia del antiprotón y tan solo un año más tarde (1956) y en el mismo laboratorio, Bruce Cork y su equipo fueron capaces de detectar el antineutrón. La última antipartícula elemental detectada fue el quark antitop (anti-arriba), en 1995.

¡Creémos antimateria!

“¡Sujetadme el cubata…!” fue probablemente lo que les dijo el profesor Walter Oelert a sus colegas del Laboratorio Europeo de Física de Partículas Elementales (CERN) allá por 1995. Su grupo fue el primero en crear átomos de antimateria.

El proceso era complejo, ya que pasaba por crear antiprotones y positrones (antielectrones), de forma separada, para después juntarlos y conformar el antiátomo. Eso sí, la vida media de estos antiátomos es de unas cuarenta milmillonésimas de segundo (lo que tarda la luz en recorrer 10 metros en el vacío), aniquilándose inmediatamente con la materia circundante. Mantenerla aislada para estudiarla parecía tarea imposible.

Pero no hace falta tener un acelerador de partículas, como el CERN, en el jardín de atrás para crear antimateria, esta también se produce de forma natural en algunos procesos de desintegración radiactiva de partículas o núcleos atómicos. Un ejemplo de estos es la desintegración beta positiva del protón dentro de un núcleo atómico, produciendo un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico. Estos decaimientos pueden utilizarse, y de hecho se utilizan para aplicaciones de vanguardia como el radiodiagnóstico.

Tomografía por emisión de positrones

El ser humano usa antipartículas. La tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés) es una técnica médica ámpliamente utilizada en el diagnóstico de tumores, enfermedades neurodegenerativas y afecciones cardiacas. El PET se basa en la aniquilación de parejas positrón-electrón. El proceso genera rayos gamma que son los que recoge el equipo de diagnóstico.

Los positrones se generan por decaimiento de un radiofármaco, normalmente Flúor-18, y, a partir de la información captada por los detectores, se reconstruye una imagen tridimensional de las áreas donde se produjo la emisión de positrones. Esto indica las zonas del cuerpo donde el radiofármaco se acumula en mayor cantidad, lo cual refleja la actividad metabólica de esos tejidos.

La simetría se rompe

Cómo nos gustan a los físicos las simetrías… Y es que todo, o casi todo, es más agradable si es simétrico. Pero con la cantidad de materia y antimateria que hay en el universo no hemos tenido suerte.

En el momento en el que las primeras partículas empezaron a aparecer en el universo, hubo la misma cantidad de partículas que de antipartículas pero ¿qué paso después? Y con después me refiero a menos de una milésima de segundo tras el Big Bang. Lo que ocurrió fue que la simetría se rompió a favor de la materia.

Aunque hay algunas teorías candidatas, no se sabe a ciencia cierta la razón, pero la cantidad de materia y antimateria en nuestro universo quedó fijada en ese instante. Si hubiera habido otros lugares en el universo hechos de antimateria, su aniquilación con la materia habría dejado una huella de rayos gamma que sería fácilmente detectable, y no es así, con lo que no sabemos dónde fue toda esa antimateria primordial.

Esto no es materia oscura

Cómo canta Alejandro Sanz, “no es lo mismo …”. No es lo mismo materia oscura que antimateria. La antimateria es visible, tangible, medible directamente. La materia oscura, por el contrario, sólo podemos “observarla” a través del efecto que esta tiene sobre la materia ordinaria. Es fundamental para explicar la rotación de las galaxias y también desempeña un papel relevante en la formación de estructuras a nivel cósmico. Fue propuesta por el astrónomo y físico Fritz Zwicky en 1933 y parece ser que se corresponde con el 85 % de toda la materia del universo.

Antihiperhidrógeno-4

El antihiperhidrógeno-4 que han creado los físicos del Instituto de Física Moderna de la Academia China de Ciencias sería el pariente “malote” del hiperhidrógeno-4, aunque esto a muchos sigue sin decirnos nada, ¿verdad?.

El antihipernúcleo en cuestión está compuesto por un hiperón anti-Lambda, un antiprotón y dos antineutrones.

Estos dos núcleos son altamente inestables, decaen rápidamente a partículas más ligeras emitiendo fotones, con lo que el tiempo que podemos usar para estudiarlos es prácticamente nulo.

A pesar de ello, el equipo de investigadores de la colaboración STAR utilizó sus experimentos para estudiar si existía o no asimetría entre los tiempos de decaimiento del hipernúcleo y su correspondinente antihipernúcleo. No observaron nada relevante que pudieran respaldar una posible causa de la antisimetría entre la cantidad de materia y de antimateria existente en el universo actual.

Las preguntas que surgen a medida que avanzamos en el conocimiento nos motivan a seguir investigando, desarrollando tecnologías más avanzadas y perfeccionando nuestras teorías. Este proceso incesante de aprendizaje impulsa innovaciones que mejoran la vida en la Tierra y nos acerca un poco más a comprender la complejidad del universo entero.

Francisco José Torcal Milla, Profesor Titular. Departamento de Física Aplicada. Centro: EINA. Instituto: I3A, Universidad de Zaragoza

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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