Antimateria

Una historia de desintegraciones, cargas y misterio

Imagen de la traza dejada por un positrón en una cámara de niebla. Sobre un círculo gris aparece una raya negra que la atraviesa de lado a lado con trazas describiendo un arco a lo largo de ella. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PositronDiscovery.png

Entrada basada en el siguiente 🧵 hilo de Twitter:

Hoy queremos hablar de esa materia que aparece como conclusión inevitable de la ecuación de Dirac, involucrada en uno de los mayores misterios del universo, en un tipo de supernova y que requiere de campos magnéticos y eléctricos para poderse contener. Hoy toca la antimateria.

Retrocedamos un poco en el tiempo, al año 1928, cuando Paul Dirac intentaba encontrar una ecuación que combinase la mecánica cuántica con la relatividad especial para poder describir el movimiento de los electrones a velocidades próximas a las de la luz. El resultado fue la famosa ecuación de Dirac1:

$$ i\hbar\gamma^\mu\partial_\mu\psi-mc\psi = 0 $$

¿El problema? Daba como resultado soluciones tanto para un electrón con energía positiva como negativa y si los electrones tuviesen estos niveles energéticos disponibles podrían decaer emitiendo fotones hasta llegar a ellos. Sabemos que los electrones no hacen esto, y Dirac también lo sabía. Su solución fue suponer que todos los estados con energías negativas (los cuales no tenían sentido físico) ya estaban llenos y como los electrones son fermiones ya no podrían ocupar estos espacios. A este concepto se le llamó mar de Dirac y aquí surgió la idea de antimateria, pues un hueco en este mar daría pie a un electrón con carga invertida. Es decir, un positrón.

Ilustración del [**mar de Dirac**](https://es.wikipedia.org/wiki/Mar_de_Dirac). Es una gráfica donde el eje *y* es la energía, el cero está en la mitad, por debajo de él todo está lleno a excepción de unos huecos, esto está representado en azul con círculos blancos. Por encima todo está vacío (aparece en color amarillo) y hay círculos negros que representan a los electrones. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dirac_sea.svg.
Ilustración del mar de Dirac. Es una gráfica donde el eje y es la energía, el cero está en la mitad, por debajo de él todo está lleno a excepción de unos huecos, esto está representado en azul con círculos blancos. Por encima todo está vacío (aparece en color amarillo) y hay círculos negros que representan a los electrones. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dirac_sea.svg.

Este electrón con carga positiva fue descubierto en el año 1932 por Carl Anderson examinando las trazas de rayos cósmicos en una cámara de niebla, donde pudo ver la existencia de partículas positivas demasiado pequeñas para ser protones.

Imagen de la traza dejada por un [**positrón**](https://es.wikipedia.org/wiki/Positrón) en una [**cámara de niebla**](https://es.wikipedia.org/wiki/Cámara_de_niebla).  Sobre un círculo gris aparece una raya negra que la atraviesa de lado a lado con trazas describiendo un arco a lo largo de ella. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PositronDiscovery.png
Imagen de la traza dejada por un positrón en una cámara de niebla. Sobre un círculo gris aparece una raya negra que la atraviesa de lado a lado con trazas describiendo un arco a lo largo de ella. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PositronDiscovery.png

Con esto el concepto de mar de Dirac perdió relevancia, pues se vio que las antipartículas eran algo relativamente normal y que existían en la naturaleza, con lo que las soluciones de la ecuación de Dirac cobraban sentido por sí mismas sin necesidad de interpretaciones extra. Pero esto solo llevó a otros problemas, y es que, si en los primeros instantes del universo se crearon tanto las partículas como las antipartículas y, a priori, no hay razón para pensar que no lo hicieran en la misma cantidad, ¿dónde está la antimateria? Es decir, sabemos que nuestro sistema solar está compuesto de materia normal pues después de muchas misiones espaciales el equipo no se ha desintegrado (a no ser que fuera justamente parte de la misión, Cassini estamos pensando en ti).

Igualmente, tampoco medimos trazas de antimateria en una escala significativa en los rayos cósmicos que nos llegan ni logramos medir brotes de rayos gamma provenientes de otras galaxias (producto de la aniquilación partícula-antipartícula). Es decir, no son de antimateria.

Ilustración de un [**rayo cósmico**]((https://es.wikipedia.org/wiki/Radiación_cósmica)) impactando en la atmósfera terrestre generando así una **cascada de partículas** que van desde el cielo hasta la superficie del planeta. Fuente: https://cds.cern.ch/images/CMS-PHO-GEN-2017-008-1.
Ilustración de un rayo cósmico impactando en la atmósfera terrestre generando así una cascada de partículas que van desde el cielo hasta la superficie del planeta. Fuente: https://cds.cern.ch/images/CMS-PHO-GEN-2017-008-1.

Claramente hay una asimetría entre la materia y la antimateria en nuestro universo. Si partimos de la base de que no hay antimateria en una escala significativa y que tanto la materia como la antimateria se crearon a la vez, algo hizo que solo quedase de la primera. Algo debió de suceder para que se crease algo más de materia que de antimateria y que, después de aniquilarse mutuamente, quedase un poco de materia para llenar nuestro universo. Al proceso responsable de crear esta asimetría se le conoce como bariogénesis. Para que el resultado fuera el que conocemos debieron cumplirse las llamadas condiciones de Sakharov, que son:

Los bariones son partículas subatómicas compuestas por tres quarks. Este es el caso de los protones y los neutrones que componen los núcleos de los átomos. En las reacciones nucleares debe conservarse el número bariónico, antes y después tiene que haber la misma cantidad.

Imagen en la que se ven dos esquemas, uno para el [**protón**](https://es.wikipedia.org/wiki/Protón) y otro para el [**neutrón**](https://es.wikipedia.org/wiki/Neutrón). En el primer caso aparecen dos [**quarks**](https://es.wikipedia.org/wiki/Cuark) up y uno down, en el segundo dos down y uno up. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quark_structure_proton.svg y https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quark_structure_neutron.svg.
Imagen en la que se ven dos esquemas, uno para el protón y otro para el neutrón. En el primer caso aparecen dos quarks up y uno down, en el segundo dos down y uno up. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quark_structure_proton.svg y https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quark_structure_neutron.svg.

Un barión suma uno al número bariónico y un antibarión lo resta. Para mantener esta ratio se tienen que crear tantos bariones como antibariones, de ahí que este número se tenga que violar. La primera condición es obvia. Por otra parte, las simetrías C y P hacen referencia a la conservación del comportamiento de las partículas2. La combinación de estas dos simetrías tiene que violarse, pues de no ser así se generarían tantas partículas como antipartículas, lo que hubiese dado un universo mucho más vacío que el nuestro. Al igual que hubiese sucedido de haber tenido un equilibrio térmico.

Hay varias ideas de cómo se podrían producir estas violaciones, tales como la leptogénesis o la bariogénesis electrodébil, pero certezas más bien ninguna. La explicación de estas teorías se escapa del objetivo de este hilo y, para qué negarlo, a nuestros conocimientos. De algún modo nuestro universo se inclinó hacia la materia, no porque la antimateria tenga algo especial, pues son partículas normales con carga eléctrica contraria. La mayor peculiaridad de una antipartícula es que al encontrarse con su partícula se aniquilan entre ellas. Y aunque la antimateria no se salvó en los primeros instantes del universo, aparece constantemente en procesos tanto naturales como artificiales aquí y en el resto del universo. Pongamos un par de ejemplos para mostrar que es algo relativamente normal.

Vámonos a lo más profundo de una estrella moribunda de 150 veces la masa del Sol. Su núcleo ya es de helio y sobrevive a costa de convertir helio en carbono para mantener la presión suficiente como para que la gravedad de su propia masa no la aplaste. Aquí los fotones tienen tanta energía como dos electrones, dando como resultado la creación de un electrón y un positrón. Aunque estos pares se aniquilan rápidamente, el mal ya está hecho y la estrella ha malgastado una valiosa energía en crear estas partículas.

Ilustración de una [**gigante azul**](https://es.wikipedia.org/wiki/Gigante_azul) con un corte para mostrar su interior. En una ampliación de su núcleo se representa el empate entre presión y gravedad y cómo se están produciendo creaciones de pares electrón y positrón. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sn2006gy_collapse_ill.jpg.
Ilustración de una gigante azul con un corte para mostrar su interior. En una ampliación de su núcleo se representa el empate entre presión y gravedad y cómo se están produciendo creaciones de pares electrón y positrón. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sn2006gy_collapse_ill.jpg.

La gravedad gana terreno y aumenta la temperatura del núcleo, que a su vez aumenta la velocidad de las reacciones nucleares, lo que termina desencadenando una supernova que podría destruir completamente la estrella sin dejar nada atrás.

Imagen de los remanentes de la [supernova Kepler SN 1604](https://es.wikipedia.org/wiki/SN_1604). Una esfera de gas deforme compuesta de varios colores de tonos rojos y azules. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Keplers_supernova.jpg.
Imagen de los remanentes de la supernova Kepler SN 1604. Una esfera de gas deforme compuesta de varios colores de tonos rojos y azules. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Keplers_supernova.jpg.

Se estima que suceda con mayor probabilidad en estrellas con muy baja metalicidad. Pero el quid de la cuestión es que las antipartículas han surgido con naturalidad, y es que no dejan de ser un tipo de partículas. Ahora volvamos a la Tierra, donde gracias a nuestros aceleradores de partículas podemos generar las reacciones necesarias para producir y estudiar estas partículas. Pero ¿cómo se puede contener algo que se aniquila al menor contacto con cualquier cosa?

Una sección del [**Gran Colisionador de Hadrones (LHC)**](https://es.wikipedia.org/wiki/Gran_colisionador_de_hadrones). Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Views_of_the_LHC_tunnel_sector_3-4,_tirage_2.jpg.
Una sección del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Views_of_the_LHC_tunnel_sector_3-4,_tirage_2.jpg.

La peculiaridad de estas antipartículas es precisamente su carga, es decir, son partículas cargadas y, por tanto, interactuarán con los campos magnéticos y eléctricos permitiéndonos crear las llamadas trampas de Penning.

Imagen de una [**trampa de Penning**](https://es.wikipedia.org/wiki/Trampa_de_Penning). Sobre un fondo azul tenemos una máquina con base marrón con dos pilares más otro que se intuye al fondo con una espiral dorada dentro. Esta espiral está conectada por una gran cantidad de cables. Fuente: https://cds.cern.ch/record/2748764
Imagen de una trampa de Penning. Sobre un fondo azul tenemos una máquina con base marrón con dos pilares más otro que se intuye al fondo con una espiral dorada dentro. Esta espiral está conectada por una gran cantidad de cables. Fuente: https://cds.cern.ch/record/2748764

Si una partícula cargada, como en este caso, se ve afectada por un campo eléctrico, se verá repelida o atraída en función de si el campo tiene su mismo signo o el contrario. Aquí no hay sorpresas. En el caso de los campos magnéticos la situación es diferente. Cuando una partícula cargada y con una cierta velocidad penetra dentro de un campo magnético su trayectoria empezará a curvarse, llegando incluso a describir órbitas circulares. Esto se debe a la fuerza de Lorentz.

Trayectoria de una partícula con carga positiva o negativa, *q*, bajo la influencia de un campo magnético **B**, que se dirige perpendicularmente hacia fuera de la pantalla. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lorentz_force.svg.
Trayectoria de una partícula con carga positiva o negativa, q, bajo la influencia de un campo magnético B, que se dirige perpendicularmente hacia fuera de la pantalla. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lorentz_force.svg.

El objetivo de las trampas de Penning es combinar estos dos efectos para lograr contener a nuestra partícula cargada. Se trata de una trampa iónica basada en un campo eléctrico cuadrupolar que atrae y repele a la vez a la partícula para lograr confinarla en el centro del campo. Además, cuenta con un campo magnético en su eje axial que se encarga de que, en caso de moverse, la partícula describa órbitas cerradas de forma que nunca llegue a tocar las paredes.

Esquema del funcionamiento de una [**trampa de Penning**](https://es.wikipedia.org/wiki/Trampa_de_Penning). Tenemos una distribución cuadrada en la que cada lado tiene una carga eléctrica diferente. La de arriba y la de abajo son positivas y las de los lados negativas. Además de eso hay un campo magnético entre las partes de arriba y abajo. Estos elementos combinados confinan a la partícula. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Penning_Trap.svg.
Esquema del funcionamiento de una trampa de Penning. Tenemos una distribución cuadrada en la que cada lado tiene una carga eléctrica diferente. La de arriba y la de abajo son positivas y las de los lados negativas. Además de eso hay un campo magnético entre las partes de arriba y abajo. Estos elementos combinados confinan a la partícula. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Penning_Trap.svg.

Como podemos ver, la antimateria es igual que la materia normal, ni antigravita ni viaja atrás en el tiempo ni anti nada. Solo tiene la carga invertida. ¿Quién sabe? Tal vez, con unas condiciones diferentes, hoy llamaríamos a los electrones antipositrones. Pero de algún modo y por algún motivo hace casi 14 mil millones de años se creó una pizca más de materia que de antimateria, y aquí estamos ahora.


  1. La ecuación de Dirac es una de las 16 ecuaciones, que según el Perimeter Institute de Canada, definen la Física↩︎

  2. A pesar de que se invierta su carga para la C y aunque se invierten sus coordenadas como si fuese un espejo para la P. ↩︎

Pilar Palanca
Pilar Palanca
✍️ Blog

Eterna estudiante: física, idiomas, informática y lo que venga. Aspirante a divulgadora científica en Bajo la sombra del teseracto.

Juan Docón
Juan Docón
✍️ Blog

Físico por vocación y formación, programador por obligación y aspirante a divulgador en Bajo la sombra del teseracto.

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