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¿De dónde viene la materia?

by Jordi Pereyra

 ¿De dónde salió toda la materia que nos compone a nosotros y todo lo que nos rodea? Se suele decir que somos «polvo de estrellas» lo que, en un sentido muy amplio, es correcto, pero no deja de ser una visión romántica que no puede sustituir la compleja historia real.

Así que he hecho una entrada muy larga para explicar el origen de la materia.

Disfrutad esta imagen agradable de una nube molecular, zona de formación de estrellas, porque hoy traigo texto para rato. Crédito: NASA/Hubble.

Primero, remontémonos al pasado. Pero no a cualquier punto al azar del pasado, sino al pasado máximo, el nacimiento del universo y el propio tiempo.

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Respuestas XXXIII: ¿Qué es la antimateria?

by Jordi Pereyra
Respondemos hoy a otra pregunta que nos ha llegado varias veces y algún día teníamos que tratar: ¿Qué es la antimateria?Todos tenemos bastante vista la siguiente ecuación de Einstein, que se ha convertido en una especie de estandarte para representar la ciencia:

ecueción de Einstein que relaciona la masa y la energía

 

Probablemente esta es la ecuación que, durante los últimos cincuenta años, ha sido vista por un mayor número de personas y entendida por una fracción muy pequeña. Representa la cantidad de energía que contiene un objeto cualquiera según su masa, pero no se utiliza en el día a día porque las cosas no se convierten en energía pura así como así. Vamos a concretar de qué tipo de energía estamos hablando antes de que alguien lo utilice como excusa para empezar a vender libros sobre «potenciales ocultos» espirituales.

Los seres vivos necesitamos energía para funcionar, así que la sacamos de las fuentes que tenemos a nuestra disposición mediante reacciones químicas. Las máquinas y equipos electrónicos no se alejan mucho de este principio y, como mucho, podemos variar el proceso rompiendo núcleos atómicos de uranio en centrales nucleares. Es decir, obtenemos la energía que necesitamos «reordenando» las partículas que componen los átomos de los que está hecho nuestro combustible.

La energía que podemos extraer usando estos sistemas es mínima comparada con toda la que contiene materia en sí, pero este potencial sólo puede liberarse cuando la propia sustancia se desintegra por completo. En términos de rendimiento, la desintegración produce 10.000 millones de veces más energía que cualquier reacción química y 1.000 veces más que la obtenida por fisión nuclear.

Pero hay un problema: aunque resulta muy fácil destruir cosas, desintegrarlas por completo es una tarea imposible. Por suerte, existe una sustancia que desintegra cualquier pedazo de materia con la que entra en contacto: la antimateria.
La antimateria está compuesta por partículas iguales a las que estamos acostumbrados a ver, con la diferencia de que tienen la carga inversa. Mientras los átomos que nos componen están formados por protones (que tienen carga eléctrica positiva), electrones (con carga negativa) y neutrones (sin carga), un átomo de antimateria contiene antiprotones (con carga negativa, en vez de positiva), antineutrones (que, como no tienen carga, se diferenciaran de los neutrones porque están compuestos de antiquarks, partículas aún más pequeñas de las que hablaremos en otra entrada porque es un tema un poco más enrevesado), y antielectrones (también llamados positrones), con carga positiva.

 

En este ejemplo hemos usado el deuterio, un isótopo del hidrógeno que es capaz de formar agua ligeramente más pesada de lo normal y de la que hablábamos en esta entrada.

Y aquí viene la pregunta del millón: ¿Dónde puedo encontrar antimateria?

Lejos de ti, por suerte.

Debido a sus impulsos suicidas, no es común encontrar antimateria en lugares donde hay materia ordinaria. Lo normal es que aparezca en pequeñas cantidades allá donde hay pocas cosas con las que interaccionar y tengan lugar fenómenos muy energéticos, como las capas altas de la atmósfera, donde aparecen positronesde manera natural durante las tormentas, y en el espacio, donde pueden encontrarse antiprotones esparcidos por las líneas del campo magnético de los planetas.

Simulación del campo magnético de Júpiter y las zonas de acumulación de antimateria.

Además, en lugares donde la temperatura es suficientemente alta también aparecen pares de partículas y antipartículas. Y cuando decimos suficientemente altas, nos referimos a las que se daban en los primeros momentos de existencia del universo, después del Big Bang.

Espera, si tras el Big Bang aparecieron tanto partículas como antipartículas, ¿Dónde ha ido a parar toda la antimateria que se formó? ¿Por qué no la vemos a nuestro alrededor?
  • Se especula que se formó una cantidad ligeramente superior de materia que de antimateria y esa «pequeña» diferencia sobrevivió a la aniquilación mutua, dando lugar a todo lo que vemos hoy en día.
  • Puede que la antimateria no tenga propiedades exactamente opuestas a las de la materia ordinaria y que, por algún motivo, las leyes de la física favorezcan más la formación y existencia de materia frente a la antimateria.
  • Tal vez la antimateria y la materia salieron despedidas en direcciones opuestas en el momento de su formación y en el otro extremo del universo, fuera de nuestro rango observable, todo está hecho de estas exóticas partículas.
O sea que, si queremos antimateria, no nos queda más remedio que crearla en un laboratorio.

¿Y entonces podríamos encontrarle usos que beneficien a la humanidad? 🙂

La energía liberada por la reacción entre materia y antimateria puede calcularse con la ecuación mencionada al principio, ya que  el 100% de la masa de las partículas que interaccionan se convierte en energía. Un sólo kilogramo de antimateria liberaría 43 megatones de energía al combinarse con otro kilo de materia ordinaria, lo que casi equivale al nivel de la Tsar Bomba, el arma más destructiva jamás fabricada.

Comparación entre diversas bombas detonadas durante la historia.

Si dejamos de mirar el lado negativo de las cosas, la antimateria podría ser el medio que nos llevara a las estrellas: cuando una cantidad de combustible tan pequeña y que ocupa tan poco espacio contiene tantísima energía, puede ser interesante llevarlo encima durante viajes largos por el espacio.

Por el mismo motivo podría usarse en baterías capaces de almacenar cantidades de energía increíbles en pilas diminutas aunque, probablemente, no serían el tipo de batería que hace funcionar tu móvil.

Lo más curioso del tema es que la antimateria se utiliza desde hace unos años en medicina, en las tomografías por emisión de positrones, una técnica no invasiva que se utiliza para medir la actividad metabólica del cuerpo humano.

¡¿Pero cómo no va a ser invasiva si me estabais diciendo hace un momento que la antimateria tiene un poder destructivo brutal?!

Ya, pero no a esta escaaala.

Se inyecta al paciente con un radiofármaco que emite positrones que interactúan con los electrones del su cuerpo, aniquilándose mutuamente. Este proceso libera fotones gamma (como los fotones de luz visible, sólo que con otra longitud de onda), que son detectados por una máquina. Allá donde se produzcan más aniquilaciones, la actividad del cuerpo será mayor porque estará liberando más fotones gamma.

Imagen de una sección del cerebro capturada mediante
este sistema. (Fuente)

Pero también podríamos usar el poder destructivo de pequeñísimas cantidades de antimateria para combatir el cáncer, pudiendo eliminar los tumores con gran precisión.

Vistas las aplicaciones, ¿A QUÉ ESTAMOS ESPERANDO PARA LLENAR LA SOCIEDAD DE ANTIMATERIA?

El problema a la hora de crear antimateria es que, actualmente, necesitas un colisinador de partículas tremendamente grande, además de una gran cantidad de energía, para crear unas cuantas partículas de la sustancia (costaría 250 millones de dólares producir 10 miligramos de positrones, por ejemplo). Por tanto, es un proceso lento: al ritmo actual de fabricación, tardaríamos 10 millones de años en obtener un kilo de antimateria. Además, aunque crear antipartículas es relativamente fácil, conseguir que éstas se agrupen en átomos es mucho más complicado: hasta la fecha tan sólo se han conseguido crear 300 átomos de antihidrógeno y han podido ser contenidos durante 16 minutos.
Por si esto no fuera suficiente, para crear antimateria se invierte mucha más energía de la que puede obtenerse con ella, así que es totalmente inviable y no tiene pinta de que la cosa vaya a cambiar en un futuro cercano. Una lástima.
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