El primer viaje de la antimateria

Seguro que muchos de vosotros recordáis la película Ángeles y Demonios dirigida por Ron Howard, protagonizada por Tom Hanks (Robert Langdon) y estrenada en 2009. Basada en una novela homónima de Dan Brown, en ella un grupo de «Illuminati» pretende vengarse de la Iglesia católica por las afrentas pasadas eliminándola por completo, destruyendo su centro neurálgico: San Pedro del Vaticano. Para ello cuentan con una poderosa bomba de antimateria o «partícula divina» que fue robada del CERN inmediatamente después de su producción. En la película, la antimateria es un gramo de una «sustancia peligrosa», depositada en una pequeña caja que sería capaz de hacer explotar toda la Ciudad del Vaticano. Al final (alerta spoiler), como no podía ser de otro modo, Robert Langdon descubre dónde se esconde la bomba y la hace estallar de forma espectacular en el cielo por encima de la Basílica de San Pedro. Ahora bien, ¿hay algo de verdad en todo esto? ¿Es pura ficción o realmente existe la antimateria y podría usarse para fabricar bombas que aniquilarían ciudades enteras? Y lo que es más importante, si existe, ¿qué es la antimateria? 

Empecemos por responder de forma rápida y ordenada a las preguntas anteriores antes de detenernos en la última y más importante. Sí, hay parte de verdad en la película y no es todo ficción. Existe la antimateria y, de hecho, se produce, digamos, rutinariamente en el CERN (Ginebra, Suiza). Pero no, no se puede usar para fabricar bombas (no, al menos, en las cantidades que somos capaces de producir hoy en día). Dicho esto, veamos entonces qué es la antimateria. 

Para entender el concepto de antimateria debemos entender primero lo que es la materia. Es difícil de explicar en pocas palabras lo que es la materia. Se podría decir que es todo aquello que nos rodea, aquello que podemos «tocar». Más en concreto, aquello que ocupa un espacio y tiene masa, forma, peso y volumen y, por lo tanto, se puede observar y medir. Es decir, todo lo que nos «rodea» es materia. Bueno, todo no, pues existen pequeñísimas cantidades de lo que conocemos como antimateria. El prefijo «anti-» ya nos indica que la antimateria es lo contrario de la materia. En este contexto, «contrario» significa que tiene algunas propiedades cuánticas de signo opuesto, siendo la más conocida de ellas la carga. Y es que las partículas de antimateria son casi copias exactas de las partículas de materia, salvo porque ciertas propiedades cuánticas aparecen invertidas. Como se ha mencionado anteriormente, de todas estas propiedades cuánticas que se invierten, la más conocida es la carga. Por ejemplo, la partícula de «materia» electrón tiene una masa de 9,1-10-31 kg y una carga eléctrica negativa de -1,6-10-19 culombios (C), mientras que su versión de antimateria, el positrón, tiene la misma masa, pero una carga positiva de +1,6-10-19 culombios (C). El resto de las propiedades que cambian de signo, como número bariónico, el número leptónico o algunas propiedades de los quarks (las partículas que forman los protones y los neutrones), son menos conocidas y no vamos a entrar en detalle porque necesitaríamos un artículo completo para explicar cada una de ellas. Quedémonos, entonces, con el concepto de que materia y antimateria son imágenes especulares una de la otra, con signo opuesto de la carga y de otras propiedades cuánticas más “exóticas”. 

El descubridor de la antimateria, desde un punto de vista teórico, fue el físico inglés Paul Dirac, que en 1928 desarrolló una teoría que combinaba la mecánica cuántica y la relatividad especial de Einstein para explicar de forma más completa las interacciones de los electrones cuando se mueven a velocidad relativista (cercana a la velocidad de la luz). La ecuación básica que derivó, denominada ecuación de Dirac (y que le valió el Premio Nobel de Física en 1933), resultó tener dos soluciones, una positiva y otra negativa. Una de ellas era para el electrón (negativa), conocido ya en aquella época. Pero la positiva era un poco desconcertante, pues parecía describir algo exactamente igual al electrón, pero con carga positiva y, por lo tanto, implicaba la existencia de otra partícula desconocida hasta ese momento, igual al electrón, pero con carga positiva, es decir, un «electrón positivo». 

Muchos físicos pensaban que esta solución extra de la ecuación de Dirac era solo una curiosidad matemática. Sin embargo, en 1932 se demostró que, efectivamente, la ecuación de Dirac describía la realidad. Ese año, el físico Carl Anderson estudiaba las propiedades de los rayos cósmicos mediante lo que se conoce como cámara de niebla. La cámara de niebla es un detector de partículas desarrollado a principios del siglo XX que permite visualizar la trayectoria de partículas individuales. Se compone de un recipiente que contiene un vapor, normalmente alcohol o agua muy pura, en estado de sobresaturación, lo cual significa que está al borde de la condensación. Cuando una partícula cargada atraviesa ese vapor, es capaz de ionizar el gas, es decir, arrancar electrones a los átomos. Esas ionizaciones actúan como núcleos de condensación y el vapor se condensa a su alrededor, de modo que se forman gotitas microscópicas a lo largo de la trayectoria de la partícula, resultando en una línea visible de niebla que marca su recorrido. La cámara de niebla permite observar el movimiento de electrones, protones y otras partículas cargadas, incluidas las de antimateria. Además, también permite determinar la energía de las partículas midiendo el grosor de la traza que dejan y, utilizando un campo magnético, el signo de su carga. Anderson estaba utilizando este dispositivo para estudiar la trayectoria de los rayos cósmicos en presencia de un campo magnético. Los campos magnéticos curvan la trayectoria de las partículas cargadas. El radio de curvatura proporciona información sobre la masa y la velocidad de la partícula, y la dirección de la curvatura indica si la carga es positiva o negativa, ya que ambas se desvían en sentidos opuestos. En un momento dado, Anderson encontró una traza muy peculiar. Se trataba de una partícula que se curvaba como si tuviera carga positiva, pero cuya trayectoria indicaba una masa muchísimo menor que la de un protón, la principal partícula fundamental con carga positiva conocida en aquel momento. De hecho, tras realizar algunos cálculos, se dio cuenta de que el radio de curvatura era perfectamente compatible con la masa de un electrón. Parecía un «electrón positivo». Esta observación daba sentido a lo propuesto por Dirac unos años antes y aportaba evidencia experimental a la existencia de esta solución alternativa, que implicaba la existencia de un «electrón positivo». Esta nueva partícula recibió el nombre de positrón y fue la primera antipartícula descubierta. El descubrimiento experimental del positrón le valió a Carl Anderson el premio Nobel de Física en 1936. 

Durante los últimos 50 años, varios laboratorios de Europa, EE. UU. y Asia han producido antipartículas de forma rutinaria, siendo el CERN, en 1995, el primer laboratorio en crear antiátomos completos de forma artificial. Sin embargo, hay un hecho que intriga a los científicos. Hasta ahora, nadie ha conseguido producir antimateria sin obtener también las correspondientes partículas de materia. Esto significa que, si es imposible producir antimateria sin producir a la vez materia, y extrapolamos esta situación al origen del universo, el conocido como Big Bang, el escenario debería haber sido el mismo. Es decir, durante el nacimiento del universo en el Big Bang se habrían producido cantidades iguales de materia y antimateria. Sin embargo, como se ha mencionado, existe mucha más materia que antimateria. Es precisamente esta falta de simetría materia-antimateria la que constituye una de las grandes cuestiones sin resolver que los físicos intentan explicar desde hace décadas. 

De hecho, podemos ir más allá en nuestras preguntas si atendemos al siguiente hecho. Las partículas de antimateria son muy escasas y difíciles de detectar. Esto ocurre porque, cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, se aniquilan mutuamente en un instante, en un proceso en el que su masa se transforma en energía. Si esto es así, y la materia y la antimateria se aniquilan entre sí, y nosotros y todo lo demás estamos hechos de materia, ¿por qué seguimos existiendo? Es decir, vivimos en un universo hecho exclusivamente de materia, pero si al principio había la misma cantidad de ambas, ¿por qué no se aniquilaron por completo en el momento del Big Bang? ¿Quizás esta antimateria todavía existe en otro lugar? De lo contrario, ¿a dónde fue y qué le sucedió durante los primeros momentos de la existencia del universo? 

Tales preguntas han dado lugar a teorías especulativas, desde una ruptura en las leyes de la física hasta la existencia de un antiuniverso completo en otro lugar. Otra posible explicación es que exista una fuerza en la naturaleza aún no descubierta, que no sea simétrica entre materia y antimateria, es decir, que tenga efectos distintos sobre ambas. Sin embargo, la explicación quizás más aceptada hoy en día es la que sostiene que la interacción nuclear débil, la interacción responsable de ciertos procesos de desintegración radiactiva en los que protones y neutrones se transforman en otras partículas, podría distinguir entre materia y antimateria, «favoreciendo» de algún modo a la primera. Lo que parece claro, a tenor de las evidencias observadas, es que las leyes de la naturaleza no se aplican por igual a la materia y a la antimateria, y los físicos están ansiosos por descubrir las razones. Precisamente para responder a estas preguntas y averiguar por qué las leyes de la naturaleza no afectan de la misma manera a ambas, laboratorios como el CERN siguen creando y estudiando antimateria. 

El estudio de la antimateria no es sencillo y no está al alcance de cualquier laboratorio. Esto se debe a que la «creación» de antimateria no es trivial. De hecho, la antimateria no se «crea» por sí sola, sino que aparece al hacer chocar partículas de materia a muy alta energía en aceleradores de partículas. Por eso se dice que es la sustancia más cara de la Tierra. Y, obviamente, esto solo puede hacerse en aceleradores de partículas como los que hay en CERN y algunos otros laboratorios. De hecho, el CERN es el único lugar del mundo donde se producen cantidades considerables de forma controlada de antimateria, concretamente de antiprotones. 

Cada vez que se produce un choque de partículas a muy alta energía, se generan multitud de partículas elementales. La primera idea que solemos tener cuando escuchamos «choque entre partículas» es la de dos bolitas muy pequeñas que chocan entre sí y se rompen en pedazos, dando lugar a otras partículas. Pero en realidad no es así. El CERN, a través del LHC (siglas de Large Hadron Collider, o Gran Colisionador de Hadrones), acelera haces de protones a altísimas velocidades (hasta el 99,999999 % de la velocidad de la luz; es decir, si la velocidad de la luz es 299792,458 km/s, los protones alcanzan aproximadamente 299792,455 km/s, solo unos 10,8 km/h menos) y se hacen chocar en el interior de grandes detectores de partículas. En estos choques, lo que ocurre no es que los protones «se rompan», sino que sus componentes internos (quarks y gluones) interactúan violentamente y se generan muchas otras partículas nuevas. Entre esas nuevas partículas se encuentran los antiprotones. 

Una vez se forman los antiprotones, hay que separarlos y «aislarlos» lo antes posible, ya que si entran en contacto con materia «normal» (protones y neutrones) se aniquilan inmediatamente. Esta separación se realiza en distintas etapas. Primero, se seleccionan las partículas en función de su carga. Como ya se ha mencionado, la trayectoria de las partículas cargadas se curva en presencia de un campo magnético, y el sentido de la curvatura depende de si la carga es positiva o negativa. Por lo tanto, mediante un primer conjunto de imanes se pueden separar las partículas con carga negativa de las que tienen carga positiva. Los antiprotones tienen carga negativa (el protón, positiva), por lo que se agrupan con las partículas de carga negativa. A continuación, los antiprotones pasan por un colimador, que es una pequeña apertura por la que solo pasan las partículas con una determinada trayectoria. El resto choca con la pared y no continúa su camino. Después, se utilizan otros sistemas de filtrado para eliminar partículas adicionales que pueden haberse colado. Esto se realiza mediante los llamados selectores magnéticos, que son regiones en las que solo las partículas con las propiedades deseadas siguen la trayectoria correcta, mientras que el resto se pierde en colimadores. Una vez seleccionados, los antiprotones se enfrían para reducir y homogenizar su velocidad, de modo que todos se muevan de forma más ordenada. En este proceso no se busca que todos tengan exactamente la misma velocidad, sino que sus velocidades sean muy similares y formen un haz compacto y controlable. Cuando el haz de antiprotones ya está seleccionado y controlado, los antiprotones se introducen en las llamadas trampas electromagnéticas, que consisten en un recipiente en condiciones de ultra alto vacío (se elimina prácticamente toda la materia, de modo que solo quedan unos pocos átomos con los que los antiprotones podrían interactuar) y al que se aplican campos eléctricos y magnéticos para confinar los antiprotones y evitar que entren en contacto con cualquier material de la trampa. Esto se logra mediante la combinación de campos eléctricos y magnéticos junto con el vacío extremo. El campo magnético hace que los antiprotones giren en espiral, atrapándolos radialmente y evitando que escapen lateralmente. Por otro lado, el campo eléctrico crea una «barrera» en los extremos superior e inferior que impide su escape en la dirección longitudinal. Todo ello, junto con el vacío de la trampa, donde, como se ha mencionado, prácticamente no hay moléculas de gas, permite que los antiprotones se mantengan confinados de forma estable. 

Una vez los científicos del CERN lograron esto, el siguiente reto era poder transportarlos desde el lugar donde se almacenan a otros laboratorios para continuar su estudio. La cuestión es que la «fábrica de antimateria» del CERN se encuentra en un entorno no adecuado para su estudio preciso, ya que para ello se requieren condiciones extremadamente controladas y estables. Por lo tanto, era de vital importancia trasladarlos a un lugar idóneo para su análisis. Con este objetivo, los físicos del CERN plantearon una prueba en la que transportarían 92 antiprotones atrapados en una trampa electromagnética en un camión por las instalaciones del CERN. La prueba resultó todo un éxito. Los antiprotones viajaron en la parte trasera de un camión, que alcanzó velocidades máximas de 42 km/h, dentro de la trampa electromagnética, realizando un recorrido de 30 minutos entre los edificios del complejo. Se trata de un gran logro científico, teniendo en cuenta la extrema fragilidad de la antimateria: como se ha mencionado, cualquier encuentro con una partícula de materia provoca la aniquilación instantánea de ambas. 

La siguiente fase del proyecto, conocido como BASE-STEP, probablemente consistirá en llevar la valiosa carga a otro edificio del CERN, donde el equipo pueda practicar cómo transferir los antiprotones a otra trampa electromagnética. Después de eso, el equipo planea transportar los antiprotones unos 700 kilómetros hasta Düsseldorf (Alemania), donde un grupo especializado de la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) utilizará un nuevo laboratorio experimental, actualmente en construcción, para estudiar las partículas alrededor de 2029. Su objetivo principal será medir la masa del antiprotón con extrema precisión. Para ello, los investigadores deben analizar su comportamiento en un campo magnético, pero el entorno de la “fábrica de antimateria” del CERN está lleno de «ruido» magnético fluctuante (campos magnéticos residuales de otros aparatos que pueden afectar a este tipo de experimentos, que requieren una precisión extrema). Mudarse a otro lugar con menos «ruido» podría mejorar la precisión de las mediciones entre 10 y 1000 veces. Después, al margen de la medición de la masa, los antiprotones se pueden utilizar para estudiar otros fenómenos, como la estructura de los núcleos radiactivos o para realizar investigaciones más elementales sobre los misterios más profundos del universo. 

Para terminar, una curiosidad: un solo gramo de antimateria costaría billones de dólares producirlo, y su aniquilación liberaría tanta energía como una bomba nuclear. Pero, según la tasa actual de producción del CERN, haría falta diez veces la edad del universo para acumular esa cantidad. Esto nos da una idea de cuán valiosa e importante es la antimateria. Pero también nos revela que los hechos que se narran en la película Ángeles y Demonios en torno a la bomba de antimateria no dejan de ser (por el momento…) pura ficción.