Existe la posibilidad de que el Universo contenga galaxias de anti-materia, formadas por estrellas y planetas antimateria. Llegar a descifrar esta conjetura es el sueño de los físicos y en ello está también interesada la NASA. La agencia ha anunciado que para el año 2002, la estación espacial Alfa estará equipada con el primer detector de antipartículas, con el objeto de comprobar su existencia en el espacio (El dilema de la antimateria). Con ello pretende lograr el más sensacional descubrimiento que daría base para pensar en la existencia de estrellas y galaxias formadas por antimateria, curioso enemigo de la materia, que puestos en contacto se aniquilan mutuamente, arrojando una lluvia de rayos gama.

La idea de un mundo de antimateria no es extraña. Por lo menos el hecho parece estar claro en las partículas "subatómicas" (que forman los átomos). En la actualidad se sabe que en la naturaleza cada una de las partículas subatómicas conocidas tiene una antipartícula asociada que posee exactamente las propiedades opuestas. Así por ejemplo, los electrones cargados negativamente, tienen antielectrones denominados positrones cargados positivamente. Es lógico también pensar que en el Universo puedan existir antiprotones y antineutrones, que podrían formar un antinucleo. Estos a su vez, podrían combinarse con positrones, para hacer un antiátomo que en conjunto podrían estar formando estrellas y galaxias exactamente como galaxias normales (New Scientist, Agosto 3 de 1996).

Los expertos piensan que debiera existir antimateria en el Universo. "Si no existiera, sería difícil explicárselo", dicen. En teoría, en el momento del Big-Bang, debiera haber existido igual número de materia que de antimateria. Samuel Ting, físico de partículas del CERN en Ginebra y científico de M.I.T. (Massachusetts Institute of Thecnology de Boston) afirma que no hay ninguna razón para rechazar la idea de que el Universo está formado por una mezcla igualitaria de materia y antimateria. Según él, después del Big Bang, en alguna parte del Universo puede haber sobrevivido antimateria. "Una asimetría en las leyes de física podría haber favorecido la persistencia de antimateria sobre la materia en algunos lugares del Universo. Como resultado, en alguna parte del Universo existiría antimateria y no materia", dice Ting.

De este modo, es posible que más allá de nuestros claustros de galaxias, existan otros formados por antimateria, y que las frecuencias de fogonazos de rayos gama producidos por las aniquilaciones de unas y otras, no somos capaces de detectarlas por las enormes distancias que nos separarían de ellas.


La historia a nivel de partículas

La primera mención de la existencia de la antimateria viene de la década de los años 20, cuando el físico Pual Dirac estaba tratando de encontrar una conexión entre las nuevas ideas de la física de ese entonces (la teoría especial de la relatividad de Einstein) y las de física cuántica. La teoría de la relatividad describe lo que sucede cuando objetos viajan a velocidades cercanas a la de la luz. La física cuántica se preocupa, en cambio, de cómo se comportan las partículas en una muy pequeña escala. Antes del año 1925, estas dos teorías se desarrollaron casi independientemente. Pero sin embargo, ambas se necesitaban mutuamente para describir el movimiento de un electrón dentro de un átomo, ya que los electrones se pueden mover a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.

De este modo Dirac se manejó para combinar las teorías y elaboró una teoría cuántica relativista del electrón, conocida como "Ecuación Dirac". En esta ecuación se sugirió que debería existir una partícula con la misma masa del electrón, pero con carga opuesta. Así fue como predijo en el año 1931, la existencia de un antielectrón, también conocido como "positrón". Dirac también se dio cuenta que si un positrón se encontraba con un electrón, ambos desaparecerían en un flash de rayos gama. Este proceso se llama "aniquilación".

Más tarde, en el año 1932, el físico americano Carl Anderson, confirmó la existencia del teórico positrón. El detectó la presencia de una antipartícula que se producía cuando una partícula de alta energía del espacio, llamada "rayo cósmico", chocaba con moléculas de la atmósfera creando chorros de partículas subatómicas.

Actualmente los físicos saben que toda la familia de partículas tiene un socio antimateria. Hay un antiprotón que puede aniquilar el protón, como hay un antineutrón que puede aniquilar al neutrón, y así sucesivamente. Todos los pares tienen la misma masa, pero el signo de su "número cuántico" es opuesto. Así por ejemplo, el electrón viene de la familia de "leptón" y tiene un "número leptón 1". El positrón tiene un número leptón 1. El número leptón es una cantidad fija, lo que significa que la suma del número de leptones, antes y después de una interacción, es siempre la misma. Así por ejemplo, si un electrón y un positrón se aniquilan, crean un fotón de luz con un número de leptón 0.

Con el descubrimiento de la antimateria se pudieron explicar muchos resultados enigmáticos. Así por ejemplo, un núcleo inestable puede decaer emitiendo un electrón, en un proceso llamado "decaimiento beta". Los científicos también habían observado que en este decaimiento había un cambio energético muy bien definido por sobre un cierto máximo. El descubrimiento confundió a los físicos que se preguntaban "¿qué estaba pasando a la energía que faltaba, cuando el electrón tenía una energía más baja que el máximo?" El físico danés, Niel Bohrincluso, aun llegó a pensar que el decaimiento beta era una violación de la ley de la conservación de la energía. Pero en 1930, Wolfgang, un físico austríaco, propuso una solución. Dijo que la energía que faltaba se había perdido en una partícula no detectada. A ella se le llamó "neutrino".

Los científicos saben ahora que cuando la desintegración beta produce un electrón, la partícula acompañante es en efecto un antineutrino. El decaimiento beta crea un leptón, el electrón, que tiene un número leptón +1. Si esto sucede en aislamiento, violaría la conservación del número lepton, de modo que el núcleo tiene también que emitir una partícula de número leptón-1, un antileptón, y éste es un antineutrino. Las otras propiedades de este antileptón, como su "spin" (su momento angular intrínseco) y la falta de carga eléctrica pueden deducirse de las similares leyes de conservación. La confirmación de las hipótesis de Pauli se produjo a mediados de la década del 50, con el descubrimiento experimental del antineutrino.

Alrededor del mismo tiempo, los físicos descubrieron el antiprotón y el antineutrón en los restos de violentas coaliciones en el acelerador de partículas. En estas coaliciones, la energía cinética de partículas aceleradas puede ser convertida en masa "m", de acuerdo a la famosa ecuación de Einstein, E=mc2. Aquí "E" es el total de la energía de las partículas que chocan y "c" es la velocidad de la luz. Si los protones que coligan tienen suficiente energía cinética, pueden crear, en adición a los protones originales, un par de protones-antiprotones.

En una situación reversa teórica, un rayo gama de alta energía puede crear espontáneamente una antipartícula, paralela a su pareja de materia. Este proceso es conocido como "creación par". De acuerdo a la ecuación de Einstein, lo que sucede es que el rayo gama debe tener una creación de energía al menos de 2mc2, donde "n" es la masa de partícula (o su antipartícula). La aniquilación es lo opuesto a este proceso.


Antiprotones en los aceleradores de partículas

Uno de los aceleradores de partículas más poderosos que existen, es el "Large Electron Positrion collider" (LEP) del CERN, el Centro Europeo para partículas físicas, que está cerca de Ginebra. El LEP acelera partículas, electrones y positrones, dentro de un gran anillo subterráneo de 27 kilómetros. Cada electrón y positron, recorre a una velocidad de 11.000 circuitos del anillo en cada segundo. Cuando chocan y se aniquilan, toda la energía incidente puede ir a la creación de nuevas partículas, como "muon", una especie de electrón pesado. También existen en otros países varios coalicionadores de protones-antiprotones, tales como el "Tevatron" del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), cerca de Chicago.

Los protones y antiprotones usados en los aceleradores, son precisamente creados en aceleradores. Si un rayo de protones golpea un blanco fijo, hecho de un material liviano como el litio, se producen coaliciones entre protones. Si la energía de la coalición es lo suficientemente alta, parte de la energía inicial se convertirá en masivas nuevas partículas. Por las leyes de conservación (como la conservación de carga y número de lepto), la materia y antimateria aparecerán en cantidades iguales.

En el acelerador Super Proton Synchroton del CERN (ver figura 1), cuando se consigue que protones con una energía de 20 gigaelectronvoltios, golpeen un blanco determinado, se cosechan antiprotones, los que se extraen de los restos de la coalición (1 gigaelectronvoltio es la energía transferida a una sola partícula cargada, cuando ésta es acelerada a través de una diferencia de potencial de mil millones de volts). Con el objeto de focalizar los antiprotones dentro de un intenso rayo, se utiliza una técnica llamada "enfriamiento estocástico". Esta permite monitorear un intenso rayo en diferentes puntos, utilizando la retroalimentación para condensarlo y enfocarlo. Después del enfriamiento estocástico, en un anillo especial de antiprotones, se forma un rayo de 3.5 gigaelectronvoltios (fig.1). Luego los antiprotones se transfieren al "Protón Synchroton" (PS) para acelerarlos aún más y, finalmente pasan al Super Protón Synchrotron (SPS) para mayor aceleración, de hasta 315 gigaelectronvoltios. Aquí grupos de antiprotones colisionan con protones que circulan en dirección opuesta (New Scientist, Febrero 15 de 1997, Inside Science Nº 98).


Los antiatomos son una realidad

Las cosas han ido más allá y los investigadores han sido capaces de crear antiátomos. Los físicos de CERN tuvieron éxito en 1996 creando unos pocos átomos de antihidrógeno. Ahora esperan producir y capturar cientos de miles de átomos de antihidrógeno, de modo de poder desarrollar con ellos diferentes experimentos. Así por ejemplo, piensan poder estudiar el espectro del antihidrógeno (la secuencia de distintas frecuencias de luz absorbida o emitida por un átomo). La teoría dice que éste debería ser igual al del hidrógeno.

Luego vendrán los antihelios, y así sucesivamente hasta completar una anti-tabla periódica con todos los elementos que ella contiene. Así los físicos tienen ya una tarea diseñada para que en el nuevo milenio se pueda entrar al mundo de la antiquímica.


Realidad y uso futuro de antimateria

Ya hoy día la antimateria está siendo utilizada en medicina. El instrumento se llama "Topografía de Emisión de Positrones" (TEP), y con él se puede escanear el cerebro y la función cardiaca. Un compuesto marcado con isótopos radioactivos, que emite positrones se inyecta en la vena del paciente. Cuando los positrones se encuentran con los electrones, las partículas se aniquilan y crean rayos gama que se pueden captar por el TEP.

Por otra parte y en mayor escala, los físicos pueden crear cada hora, millones de millones de antipartículas y usarlas como proyectiles en los aceleradores que existen alrededor del mundo.

Hasta aquí la realidad, pero la ficción ha llevado a pensar que usando la aniquilación controlada de materia y antimateria podría disponerse de un combustible que permitiría propulsar un navío espacial en un viaje por las estrellas.

De acuerdo a la ecuación de Einstein (E= mc²) en que la "E" es energía y "c" la velocidad de la luz, la aniquilación produce energía. El número de la revista Creces que Ud. está leyendo, pesa aproximadamente 200 grs, lo que significa que ella es equivalente a una energía aproximada de 2x10¹⁶ joules. Ello corresponde a la energía que podría producir una gran central generadora durante 7 meses (1 gigawatt). Para producir esa misma energía utilizando carbón, se necesitaría más de un millón de toneladas.

Si se pudiera construir una central generadora en la cual la masa del combustible fuese totalmente convertida en energía, se estarían satisfaciendo todas las necesidades de energía del mundo, consumiendo sólo unas pocas toneladas de materia cada año. Según la ecuación de Einstein, podría utilizarse cualquier tipo de materia, desde el agua del mar, hasta desechos tóxicos de las industrias. Como la conversión sería completa, no quedarían restos tóxicos de desechos.

Desgraciadamente, para desintegrar la materia hay un problema. En cualquier transformación (tales como el decaimiento radioactivo o la fisión nuclear), de acuerdo a la ley de conservación, los valores de ciertas cantidades deben ser iguales antes que después. Pero ¿qué sucede a la carga de un electrón si éste se convierte en energía? Es improbable que la pérdida de una carga negativa de los electrones pueda ser balanceada por la pérdida de cargas positivas de los protones.

Hay también otros problemas. Protones y neutrones pertenecen a la misma familia de partículas llamadas "baryons", y todas las reacciones nucleares son consistentes con la idea de que cada una de éstas tiene un número baryon 1, y que la suma de números baryones, antes y después de cualquier reacción, debe ser la misma. En estas condiciones la aniquilación de materia ordinaria a rayos gama (número de baryon cero) violaría la ley de conservación del número baryon.

De este modo, la única forma en que la materia podría ser convertida enteramente en energía sería combinándola con antimateria, con signos opuestos de carga y de números cuánticos, tales como número baryon y número leptón. Es decir, disponiendo de antimateria podríamos alimentar esta central generadora. Para ello necesitaríamos materia y antimateria del mismo tipo, aniquílanse éstas en forma controlada (tal vez con alguna forma de absorber los rayos gama para calentar agua de los turbogeneradores se produciría la energía). En estas condiciones, el proceso completo estaría obedeciendo a las leyes de la conservación.

El problema es cómo disponer de esa antimateria. Producirla aquí en la Tierra, podría tomar tanta o más energía que la que de su uso se desprendería. Alrededor nuestro, el Universo está constituido por 100% de materia, de modo que soñar con establecer estaciones generadoras de antimateria se ve como irrealizable.