¿Cómo se produce antimateria?
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En esta sección encintrarás respuesta a las siguientes preguntas:
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¿Puede crearse antimateria?
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¿Qué partículas se produjeron primero?
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¿Quién lo hizo y cómo?
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¿Cuánta antimateria se produce hoy día?
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¿Cuánto cuesta producirla?
La primera forma de antimateria observada en la Naturaleza fue el antielectrón (o positrón). Esto fue posible gracias a que existen muchos procesos naturales en los que esta partícula se produce de manera espontánea y, por tanto, la probabilidad de encontrarla es bastante alta una vez que se sabe qué buscar y cómo hacerlo. Sin embargo, para poder observar otras partículas de antimateria que no se producen con tanta frecuencia (como el antiprotón o el antineutrón), los científicos tuvieron que construir enormes máquinas diseñadas específicamente para producirlas y detectarlas.
Pero producir antimateria no es fácil. Para conseguirlo hacen falta grandes cantidades de energía. Esto es lo que nos revela la afamada fórmula de Einstein E = mc2 : la masa no es otra cosa que energía en forma muy concentrada. Esto significa que la materia puede transformarse en energía y la energía en materia. Este proceso se da en la Naturaleza de manera regular, por ejemplo en la combustión de las estrellas. En el sol 600 millones de toneladas de hidrógeno se convierten cada segundo en 595 millones de toneladas de helio y 5 millones de toneladas de energía.
E = mc2
En la actualidad hemos aprendido a producir cantidades de energía tan altas que ciertas partículas de materia se generan espontáneamente en el proceso, y con ellas también sus equivalentes en la antimateria. Le técnica supone la aceleración de partículas más pequeñas que el átomo (es decir, partículas subatómicas) a altas velocidades y la colisión de las mismas contra un bloque de metal o entre ellas. Una parte de la energía liberada en la colisión se transforma entonces en materia y antimateria. Pero, para conseguir este efecto, las partículas subatómicas (normalmente protones) tienen que circular a velocidades infinitesimalmente cercanas a la de la luz. Esto sólo puede conseguirse en los llamados Aceleradores de Partículas, enormes dispositivos que aceleran las partículas por medio de campos eléctricos. CERN, la Organización Europea para la Física Nuclear, cuenta con el acelerador más grande y potente del mundo. Es el Large Hadron Collider (LHC), un anillo subterráneo de 10 Km. de diámetro y 27 Km. de longitud situado a 100 metros de profundidad cerca de Ginebra (Suiza) (puedes ver sus dimensiones en este mapa de la zona. Junto con el CERN otros laboratorios del mundo producen antimateria hoy día. Fermilab, en Chicago, es uno de los más importantes.
Impacto de electrones (e-)en el metal y producción de antipartículas (e+) y rayos gamma (g)
Los primeros en conseguir la producción de antiprotones fueron los físicos Emilio Gino Segré y Owen Chamberlain en 1955 en la Universidad de California en Berkeley. Lo lograron bombardeando una lámina de cobre con protones de alta energía. El experimento se llevó a cabo en el acelerador de partículas construido por Ernest Lawrence (Premio Nobel en 1939) en el Lawrence Berkeley National Laboratory. Era el Bevatrón, un anillo capaz de acelerar protones hasta una energía de 6.2 GeV (gigaelectrones-voltio). El descubrimiento de Segré y Owen les valió el Premio Nóbel en 1959. Actualmente el acelerador de partículas más grande del mundo, el Tevatrón del laboratorio Fermilab en Chicago - es capaz de generar energías de hasta 1.8 TeV (1800 GeV) colisionando protones y antiprotones.
Un año más tarde, en 1956, B. Cork, O. Piccione, W. Wenzel y G. Lambertson, un segundo grupo de investigadores de Berkeley, anunció el descubrimiento de la tercera antipartícula: el antineutrón.
Una vez probada la existencia de estas tres antipartículas (antielectrón, antiprotón y antineutrón), los esfuerzos se concentraron en la producción de los primeros núcleos atómicos de antimateria. El objetivo se consiguió en 1965 con la observación del antideuterón, el núcleo del átomo de antideuterio, constituido por un antiprotón y un antineutrón. Dos equipos de investigadores consiguieron producirlo al mismo tiempo: el equipo de León Lederman en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York) y el equipo de Antonino Zichichi en el CERN.
El siguiente gran objetivo era la producción de átomos completos de antimateria, en lugar de núcleos solamente. El átomo elegido fue el de hidrógeno, por ser éste el elemento más simple (con sólo un electrón y un protón en su estructura). El hidrógeno es además una de los elementos mejor estudiados y constituye tres cuartas partes de nuestro universo y la base de nuestro conocimiento científico del mismo. En 1995, 30 años después de la producción de los primeros núcleos de antimateria, un grupo de investigadores de Alemania e Italia anunciaron finalmente la producción de los primeros átomos de antihidrógeno. Era el experimento PS210 y se llevó a cabo en el CERN. El experimento fue posible gracias a la participación de un nuevo tipo de máquina, el LEAR (Low Energy Antiproton Ring), que deceleraba los antiprotones producidos en el acelerador de partículas y los almacenaba en un anillo para que los científicos pudiesen estudiarlos y, por ejemplo, combinarlos con positrones para producir átomos estables. Un año después el laboratorio Fermilab anunciaba una producción similar de átomos de antihidrógeno.
A pesar de la importancia de estos acontecimientos, los experimentos hasta ese momento no permitían la investigación directa de las características de la antimateria ni su comparación con la materia convencional. Tres eran las razones. En primer lugar sólo se había logrado producir unos cuantos átomos de antihidrógeno. En segundo lugar los átomos observados se movían a una velocidad cercana a la de la luz (demasiado rápido para analizar sus propiedades). Por último, los átomos se aniquilaban casi instantáneamente y desaparecían. Para poder llevar a cabo estudios detallados de los anti-átomos era necesario producir grandes cantidades de antihidrógeno "frío" y éste debía ser almacenado.
Algunas de estas dificultades ya han sido resueltas. Con la tecnología actual los aceleradores de partículas del CERN son capaces de producir haces de unos 50 millones de antiprotones cada minuto. El Decelerador de Antiprotones (AD) reduce entonces la velocidad (y por tanto la temperatura) de los protones de los miles de millones de grados a que son creados a temperaturas aptas para la experimentación. Estos haces de antiprotones permiten la producción de miles de átomos de antihidrógeno. Usando el AD el Proyecto ATHENA (predecesor de ALPHA), y poco después el grupo ATRAP (Universidad de Harvard), fueron los primeros en producir grandes cantidades de antihidrógeno frío en 2002.
La producción de antihidrógeno requiere, además de los antiprotones que CERN proporciona, el uso de positrones (electrones cargados positivamente). Los positrones en los experimentos de ALPHA se obtienen de un tipo especial de sodio radiactivo. Dado que estas partículas poseen carga eléctrica, pueden ser atrapadas fácilmente usando campos electromagnéticos. El siguiente paso consiste el la combinación de positrones y antiprotones para formar antihidrógeno. Sin embargo el antihidrógeno es un átomo de carga neutra y no puede contenerse con los mismos campos electromagnéticos que retenían a los positrones y antiprotones. Por ello, una vez producido, el antihidrógeno escapa de estas fuerzas, choca con las paredes del experimento y se aniquila (este es el efecto que ATHENA usó para detectar la producción de antihidrógeno). En la actualidad ALPHA está diseñando una trampa con la que contener el antihidrógeno durante el tiempo suficiente que permita el estudio de sus propiedades. Sin embargo ¿qué tipo de contenedor podría usarse teniendo en cuenta que la antimateria se aniquila en contacto con cualquier forma de materia?