Antimateria, el otro lado del espejo

Daniel Martín Reina

Foto: © M. Brice / CERN

Varios años después de viajar al País de las Maravillas, el escritor inglés Lewis Carroll retomó el personaje de Alicia en el libro A través del espejo y lo que Alicia encontró al otro lado, escrito en 1871. La historia comienza con Alicia sentada en el sofá de su sala, meditando sobre lo que ella llama la casa del espejo. Por extraño que parezca, Alicia está convencida de que al otro lado del espejo que hay encima de la chimenea existe un mundo tan real como el de su sala, sólo que las cosas están dispuestas a la inversa. Los libros, por ejemplo, se parecen a los suyos, pero con las letras escritas al revés. El humo que sale de la chimenea es el mismo que el que sale del otro lado, aunque Alicia no puede ver si ahí también encienden el fuego en invierno.

Pero lo que más intriga a Alicia es lo que se intuye cuando ella deja abierta la puerta del salón. ¿Y si más allá de la puerta de la casa del espejo fuera completamente diferente? ¿Habría alguna forma de atravesar el espejo y comprobarlo?

De repente, una niebla empieza a rodear el espejo como si se estuviera disolviendo el cristal. Alicia se encarama a la chimenea y un instante después atraviesa el cristal sin saber muy bien cómo. ¡Alicia ha pasado al otro lado!
Entonces empieza a mirar atentamente a su alrededor y descubre que allí dentro, en la casa del espejo, todo es muy distinto…

La ecuación de Dirac

El principio del libro de Carroll enlaza a la perfección con nuestra historia, cuyo argumento hubiera asombrado al propio escritor. ¿Te imaginas que el Universo en el que vivimos se pareciera al salón y a la casa del espejo de Alicia?

Todo empezó a finales de la década de 1920. Por aquel entonces, los científicos sabían que el átomo está formado por electrones, partículas con carga negativa que giran alrededor de un minúsculo núcleo donde se concentran los protones, con carga positiva (el otro componente del núcleo, el neutrón, sin carga eléctrica, todavía no se había descubierto).

Sin embargo, no se había podido describir con exactitud el comportamiento de los electrones en el interior del átomo. El problema estaba en que las ecuaciones de la mecánica cuántica, que se encarga de los fenómenos subatómicos, se basaban en la mecánica de Newton. Ésta es muy útil en el caso de sistemas en los que las velocidades son mucho menores que la de la luz, como ocurre en nuestra vida cotidiana o con el movimiento de los cuerpos celestes. Pero no sirve para partículas como el electrón, que se mueven casi tan rápido como la luz. En tales casos hay que recurrir a la teoría especial de la relatividad de Einstein, que explica lo que sucede cuando los objetos se mueven a velocidades cercanas a las de la luz.

En 1928, el físico inglés Paul Dirac fue el primero en combinar la relatividad y la mecánica cuántica, y así llegó a una ecuación que describe con precisión al electrón. Pero había algo más. Igual que una ecuación simple como x2 = 4 tiene dos soluciones, x = 2 y x = -2, la ecuación de Dirac predice también la existencia de una partícula con las mismas propiedades que el electrón, pero con carga positiva: una antipartícula. Y no sólo debía existir una antipartícula para el electrón, sino también para el resto de partículas conocidas.

El descubrimiento en 1932 del positrón, la antipartícula del electrón, confirmó la teoría de Dirac y dejó la puerta abierta a una fascinante posibilidad. De la misma manera que las partículas ordinarias forman la materia que nos rodea, también sus correspondientes antipartículas podrían formar átomos de antimateria; es decir, positrones que dan vueltas alrededor de un núcleo compuesto por antiprotones y antineutrones. La antimateria sería el reflejo de la materia, como la casa del espejo lo era del salón de Alicia antes de atravesar el espejo.

Aniquilación de un átomo de antihidrógeno en el experimento ATHENA.

Dentro de la trampa de Ioffe del experimento ALPHA los antiprotones y positrones se juntan para formar antiátomos de carga neutra. Éstos pueden ser atrapados con un campo magnético externo.

El origen de la antimateria

Nuestro Universo está compuesto básicamente de materia ordinaria, así que ¿de dónde surgió la antimateria y por qué no la vemos a nuestro alrededor? Para responder a esta pregunta debemos retroceder en el tiempo más de 13 000 millones de años, cuando toda la energía del Universo estaba concentrada en un único punto minúsculo. En un momento incierto se produjo lo que hoy se llama Big Bang, una catastrófica explosión que inició la expansión del Universo. A medida que crecía, el Universo se fue enfriando y parte de la energía que se generó en el estallido comenzó a transformarse en partículas y antipartículas. Eso debió ocurrir cuando ni siquiera había transcurrido una billonésima de segundo desde el Big Bang.

Fue el único momento en que materia y antimateria coexistieron de forma natural. Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, las dos se aniquilan y se transforman en radiación. En principio, el Big Bang debería haber generado el mismo número de partículas y antipartículas, que se habrían destruido mutuamente hasta convertir el Universo en nada más que pura radiación. Podemos estar seguros que eso no ocurrió, porque en tal caso no estaríamos aquí para contarlo. Por algún motivo desconocido, el equilibrio entre materia y antimateria se decantó a favor de la materia. Se calcula que por cada 1 000 millones de antipartículas, se formaron 1 000 millones más una partículas. Es decir, por cada 1 000 millones de pares partícula-antipartícula que se aniquilaron, hubo una afortunada partícula que se salvó. La diferencia puede parecer insignificante, pero ahí empezó a formarse el Universo tal y como lo conocemos hoy: estas partículas supervivientes se unieron luego para formar los primeros átomos, que más tarde constituirían las primeras estrellas y galaxias.

Los científicos sospechan que la causa de este desequilibrio entre materia y antimateria es que ambas se comportan de distinta manera y que, por tanto, las leyes físicas para una y otra no son exactamente las mismas. Esto sería algo extraordinario, tan sorprendente como lo fue para Alicia descubrir que su salón y la casa del espejo eran diferentes.

¿Cómo comprobarlo? Una manera sería crear un átomo de antihidrógeno —que es el más simple de todos, formado por un antiprotón y un positrón—, estudiar sus propiedades físicas y luego comparar los resultados con los del átomo de hidrógeno, que conocemos tan bien.

Producción de antimateria

La producción de antipartículas como positrones y antiprotones se ha convertido en algo rutinario en los aceleradores de partículas. Pero juntar estas antipartículas y formar átomos de antimateria es mucho más difícil, ya que cualquier contacto con la materia ordinaria tiene desastrosas consecuencias. Los primeros intentos se remontan a principios de la década de 1990. El método consistía en hacer pasar un antiprotón muy veloz cerca de un núcleo atómico pesado, por ejemplo, xenón, lo que de tanto en tanto creaba un par electrón-positrón. En este hipotético caso, el antiprotón podía unirse con el positrón y formar un átomo de antihidrógeno, aunque esto era todavía menos frecuente que lo anterior. Fue un logro enorme que unos investigadores del CERN (Organización Europea de Investigaciones Nucleares), en Ginebra, consiguieran en 1995 crear así los primeros nueve átomos de antihidrógeno. El problema de esta técnica, además de ser muy poco eficiente, es que el antihidrógeno se fabrica a velocidades cercanas a las de la luz, por lo que no había ninguna posibilidad de estudiar sus propiedades antes de que los antiátomos desaparecieran.

A principios de la década de 2000, el experimento ATHENA del CERN producía por separado positrones —a partir de diversas sustancias radiactivas, como el flúor o el sodio— y antiprotones —en los aceleradores de partículas—. Como los átomos de antihidrógeno no se pueden enfriar de la manera convencional —por ejemplo, con helio líquido— porque se aniquilarían al entrar en contacto con él, deben crearse ya con poca energía, o como dicen los físicos, fríos. Y su energía depende principalmente de la energía de los antiprotones incidentes, pues son mucho más masivos que los positrones. Cuanto más fríos estén los antiprotones (es decir, cuanto más lentos sean), más fácil será luego crear y capturar los átomos de antihidrógeno.

Con esta idea se construyó el llamado Desacelerador de Antiprotones (AD, por sus siglas en inglés), un anillo en el que se colocaban diversas láminas llamadas degradadores. Los antiprotones se hacían girar por el anillo y chocar con los átomos de las láminas; los que no se aniquilaban, se frenaban a un 10% de su velocidad inicial.

Los antiprotones que salían del AD se mezclaban con los positrones en unas "botellas" electromagnéticas llamadas trampas de Penning. Estas trampas son recipientes de donde se extrae por bombeo todo el aire del interior y se rodean con helio líquido, el cual se mantiene a una temperatura de apenas 4 kelvin (-269º C). En el núcleo de la trampa se crean campos electromagnéticos que facilitan la unión de las antipartículas y, al mismo tiempo, impiden que entren en contacto con las paredes de la trampa.

Gracias a los antiprotones fríos y a la trampa de Penning, el equipo ATHENA consiguió en 2002 crear átomos de antihidrógeno durante sólo unos microsegundos. Fue tan breve porque al formarse el átomo de antihidrógeno, la carga de una antipartícula compensa la de la otra y, como ocurre con el átomo de hidrógeno cotidiano, su carga eléctrica total es cero. Sin carga, los campos eléctricos y magnéticos del interior de la botella ya no tienen efecto sobre él y se escapa, perdiéndose para siempre. Las trampas de Penning son muy útiles a la hora de crear átomos de antihidrógeno, pero no sirven para tenerlos quietos.

En el Experimento Antiprotón de Células (ACE, Antiproton Cell Experiment) del Desacelerador de Antiprotones (AD) del CERN, un antiprotón aniquila un protón en el núcleo de una célula cancerígena produciendo un par de rayos gamma, destruyendo la célula.

La trampa dentro de la trampa

Había que pensar en otra estrategia para atrapar los átomos de antihidrógeno. Con este objetivo surgió en 2005 el proyecto ALPHA, que tomó el relevo de ATHENA en el CERN. Su planteamiento se basaba en que aunque no tenga carga eléctrica, el átomo de antihidrógeno se comporta como una pequeña brújula sensible a un campo magnético. El equipo ALPHA diseñó una trampa magnética a base de un complejo imán con varios polos magnéticos, una configuración que se conoce como trampa de Ioffe. La trampa de Penning se sitúa dentro de la trampa de Ioffe, de manera que cuando se forman los átomos de antihidrógeno y la trampa de Penning ya no los puede retener, entra en acción la trampa de Ioffe y los atrapa. La combinación de ambas trampas es el arma perfecta para cazar antimateria, siempre que los antiprotones sean lo suficientemente lentos.

En efecto, el campo magnético creado por la trampa de Ioffe es muy débil, por lo que es necesario enfriar todavía más los antiprotones para poder atraparlos. Por eso se incluyó antes de la trampa un ingenioso mecanismo de frenado a base de electrones. La idea es parecida a detener un balón de fútbol haciéndolo pasar por un montón de pelotas de tenis. De la misma manera, los científicos utilizan los electrones para enfriar los antiprotones haciendo que choquen con ellos. La ventaja de los electrones es que son fáciles de enfriar y pueden interactuar con los antiprotones sin aniquilarlos, puesto que no forman un par partícula-antipartícula. En apenas un minuto, electrones y antiprotones llegan a una temperatura de equilibrio de 20 kelvin (-253º C). Los antiprotones ya están listos para mezclarse con los positrones y formar átomos de antihidrógeno fríos que puedan ser luego capturados en la trampa de Ioffe.

En noviembre de 2010, los responsables del experimento ALPHA confirmaron que de la interacción de 10 millones de antiprotones y 700 millones de positrones, se habían formado 38 átomos estables de antihidrógeno, que duraron 172 milisegundos cada uno. Éste era el tiempo mínimo para asegurarse que se habían barrido de la trampa el resto de antipartículas que no habían llegado a formar antimateria. Apenas unos meses después, consiguieron atrapar 309 átomos de antihidrógeno, 19 de los cuales aguantaron 1000 segundos. Este tiempo sí es suficiente para estudiar el antihidrógeno en profundidad y comprobar si se comporta tal y como indican los modelos teóricos.

El Desacelerador de Antiprotones (AD) del CERN.

Experimentos con antimateria

Cuando se habla de la simetría entre materia y antimateria, los físicos usan el término simetría CPT; C de carga eléctrica, P de paridad (una propiedad de las partículas elementales que hace referencia a su sentido de giro) y T de tiempo. Lo que viene a decir esta simetría es que si tomamos las ecuaciones que describen cualquier ley física y cambiamos de signo las cargas eléctricas, cambiamos espacialmente la izquierda por la derecha e invertimos el tiempo, la situación física es equivalente. Al aplicar esta transformación al átomo de hidrógeno, el resultado es el átomo de antihidrógeno. Refinando lo que se dijo al principio del artículo, la antimateria sería el reflejo de la materia en el espejo de la simetría CPT. Hasta ahora no se ha encontrado ningún fenómeno físico que no cumpla la simetría CPT. Por tanto, cualquier experimento realizado en el átomo de antihidrógeno debe conducir a los mismos resultados que en el átomo de hidrógeno. Cualquier diferencia, por mínima que sea, podría explicar lo que ocurrió poco después del Big Bang.

Una manera de poner a prueba la simetría CPT sería comparar el espectro del hidrógeno con el del antihidrógeno, es decir, comparar los niveles de energía del electrón del hidrógeno con los del positrón del antihidrógeno. Éste es, de hecho, el objetivo principal del proyecto ALPHA.

Otro experimento crucial será comprobar cómo actúa la gravedad sobre la antimateria. De ello se encargará el experimento a AEgIS, también del CERN, que en el verano de 2012 debería empezar a tomar datos. El experimento medirá el efecto de la gravedad sobre un átomo de antihidrógeno en caída libre a lo largo de 60 cm. De nuevo, la antimateria debería comportarse de la misma manera que la materia, pero nadie ha podido verificarlo todavía.

Mientras tanto, el CERN ya ha anunciado un nuevo proyecto para producir antiprotones con las energías más bajas jamás alcanzadas. El proyecto, conocido como ELENA, consiste en un nuevo anillo desacelerador de antiprotones que reducirá a un quinto la energía actual de los antiprotones, lo que mejorará notablemente la eficiencia de atrapamiento. Su puesta en marcha está prevista para 2016.

Se avecinan unos años emocionantes con el estudio de la antimateria. Estamos a punto de atravesar el espejo como hizo Alicia y comprobar qué hay al otro lado. Lo que allí encontremos puede ayudarnos a entender por qué el Universo se decantó por la materia.