Te recomiendo disfrutar del número 518, julio 2024, de la revista MUY Interesante. Su portada «Antimateria», hace referencia a mi pieza «Antimateria. Un material caro de fabricar y difícil de almacenar que tiene multitud de aplicaciones en biomedicina e industria» que aparece en las páginas 36-41. Describo en 9500 caracteres la historia de la antimateria, sus aplicaciones prácticas industriales y biomédicas, y los experimentos con antimateria en el CERN; además, se incluye un despiece sobre la ecuación del amor (la de Dirac) y otro sobre los avances en la investigación gracias a la antimateria (en astrofísica y colisionadores). Más allá de mi pieza encontrarás gran número de artículos muy interesantes, con los que seguro que disfrutarás. Porque la ciencia también te sirve para refrescar tu verano. No te pierdas el número 518, julio 2024, de la revista MUY Interesante.
En su discurso de aceptación del Nobel de Física de 1933, Paul Dirac imaginó estrellas, planetas y seres vivos de antimateria. Se premió su ecuación de onda relativista para el electrón de 1928. La ecuación de Dirac es la más bella de la física. Se aplica a los fermiones, las partículas de materia de espín 1/2, como el electrón y los quarks que forman protones y neutrones. Además, predice la existencia de las antipartículas, como el positrón (antielectrón) y los antiquarks que forman antiprotones y antineutrones. Y la de antiátomos formados por positrones ligados a núcleos de antiprotones y antineutrones.
EL POSITRÓN ES LA ANTIPARTÍCULA DEL ELECTRÓN, CON SU MISMA MASA, PERO CON CARGA ELÉCTRICA POSITIVA. Fue descubierto en los rayos cósmicos por Carl Anderson en 1932 usando una cámara de niebla (Nobel de Física de 1936). Igual que un avión deja un traza visible en el cielo cuando el aire está muy frío y el vapor de agua se condensa, una partícula cargada que atraviesa un gas superenfriado lo ioniza (sus átomos ganan o pierden electrones) dejando una traza visible. La clave del experimento fue usar un campo magnético intenso y dos detectores Geiger para observar partículas que cruzaban el detector de arriba abajo; algunas dejaban la misma traza que un electrón, pero curvada en sentido opuesto. En 1933 se observaron trazas espirales de pares electrón-positrón resultado de la desintegración de un fotón que no dejaba traza.
El antiprotón, con la masa del protón, pero con carga eléctrica negativa, fue descubierto en 1955 en un acelerador de partículas llamado Bevatrón. Se aceleraban protones a una energía de 6.2 GeV que impactaban contra un blanco de cobre produciendo pares protón-antiprotón (Nobel de Física de 1959 para Emilio Segré y Owen Chamberlain). En 1956, Frederick Reines y Clyde Cowan descubrieron el antineutrino electrónico (que se observó antes que el neutrino) cerca de un reactor nuclear. Ese año un equipo del Bevatrón observó el antineutrón.
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LA ANTIMATERIA TIENE GRAN NÚMERO DE APLICACIONES PRÁCTICAS INDUSTRIALES Y BIOMÉDICAS. La más conocida es el escáner PET (tomografía por emisión de positrones). Se inyecta al paciente un radiofármaco emisor de positrones de vida muy corta (carbono-11, nitrógeno-13, oxígeno-15, o flúor-18), que se produce en un acelerador de protones que bombardea un blanco no radioactivo. En el cuerpo del paciente los positrones se aniquilan con electrones de sus moléculas emitiendo dos fotones en la misma dirección, pero con sentidos opuestos. Mediante anillos de fotodetectores se registran los dos fotones permitiendo localizar el punto exacto del cuerpo donde se produjo la aniquilación.
Por cierto, facilita esta detección que un 80 % de las veces se forma positronio, un positrón ligado a un electrón con una vida media de unos cien nanosegundos, lo que aumenta la probabilidad de que se aniquilen donde está el radiofármaco. El escáner PET obtiene una serie de imágenes en forma de láminas que se combinan en una imagen tridimensional. Así se pueden observar procesos biológicos como el consumo de glucosa en las neuronas y en las células tumorales. Para ello se usa el flúor-18 que permite localizar la fluorodesoxiglucosa (18FDG) y cuantificar el consumo de glucosa.
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HAY CINCO EXPERIMENTOS CON ANTIMATERIA ACTIVOS EN EL CERN: AEgIS, ALPHA, ASACUSA, BASE y GBAR (ya acabaron ACE, ATHENA y ATRAP). Para fabricar antimateria se usan antiprotones “fríos”. Su fuente es el sincrotrón de protones (PS), que genera antiprotones “calientes” al impactar protones a 26 GeV contra un blanco de iridio. Desde el año 2000, el anillo desacelerador de antiprotones (AD) frena los antiprotones usando campos eléctricos y los enfría con un gas de positrones hasta 5.3 MeV. En 2018 se añadió el anillo desacelerador ELENA, que reduce aún más su energía hasta 0.1 MeV.
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En la gravitación de Einstein la «carga» es la densidad de energía y momento lineal, en lugar de la masa, como en la teoría de Newton. Por ello no puede haber ninguna diferencia entre la materia y la antimateria, ni tiene sentido especular que la antimateria antigravite (caiga hacia arriba). Pero dudar de todo es intrínseco de la ciencia. AEgIS (2013-) ha mostrado que en la gravedad terrestre los antihidrógenos se aceleran en el mismo sentido que los hidrógenos. ALPHA estudió la caída libre de átomos de antihidrógeno en 2023 mostrando que caen igual que los átomos de hidrógeno.
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LA ANTIMATERIA ES EL MATERIAL MÁS CARO DE FABRICAR Y EL MÁS DIFÍCIL DE ALMACENAR. En la película Ángeles y Demonios (2009) roban en el CERN un recipiente que almacena antimateria para fabricar una bomba como la de Hiroshima (15 kilotones de TNT). Basta un tercio de gramo de antihidrógeno, pero el número de Avogadro es tan grande que con la tecnología actual fabricarlo llevaría cientos de millones de años y almacenarlo durante varios días es imposible.
Despiece 1: La ecuación del amor
Muchas personas se tatúan la ecuación de Dirac, (iγ∂−m)ψ=0, como señal de amor. Alude al entrelazamiento cuántico entre los espines de dos electrones separados en el espacio y el tiempo. Por desgracia, muchas se tatúan una ecuación incorrecta, (∂+m)ψ=0, que no permite el entrelazamiento.
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Despiece 2: Avances en la investigación gracias a la antimateria
Todos los fenómenos astrofísicos violentos en el universo producen partículas de antimateria. Su observación en los rayos cósmicos que llegan a la Tierra permite entender dichos fenómenos. Se usan observatorios de rayos cósmicos secundarios, que observan las cascadas de partículas que alcanzan el suelo tras el impacto de un rayo cósmico contra una molécula del aire; el más grande es el Observatorio Pierre Auger en Argentina. Y observatorios de rayos cósmicos primarios en el espacio, como el italiano PAMELA, en un satélite ruso, y AMS-02, en la Estación Espacial Internacional.
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No te pierdas el número 518, julio de 2024, de la revista MUY Interesante. ¡Que lo disfrutes!
Gracias. Supongo que lo que imaginó Dirac en su discurso de aceptación no es posible. «Todos los fenómenos astrofísicos violentos en el universo producen partículas de antimateria», pero todos los antiátomos son sintéticos, ¿no?. Si hay que enfriar y confinar antipartículas en campos magnéticos para producirlos, no existen fuera del laboratorio, ¿no?.
Masgüel, la producción de antiátomos en fenómenos violentos del universo no es posible, porque que son violentos; no hay mecanismos físicos naturales conocidos que permitan el enfriado necesario de las antipartículas (por ello solo existen en el laboratorio). A pesar de ello, se siguen buscando señales astrofísicas de antiátomos (las hipotéticas estrellas o galaxias de antimateria)
Donde dice: «En 1933 se observaron trazas espirales de pares electrón-positrón resultado de la desintegración de un fotón que no dejaba traza», ¿cómo es posible eso? Mi pregunta viene porque tengo entendido que para la formación de pares electrón-positrón se requiere la aniquilación de 2 fotones. ¿Acaso existe otro proceso que involucre solo a un fotón?
FerK, en el vacío un fotón de alta energía no puede dar lugar a dichas trazas. Pero en un material (el gas de la cámara de niebla), el fotón puede interaccionar con un fotón virtual (es decir, con el campo electromagnético en átomos o en núcleos atómicos, en especial con estos últimos, por su mayor energía) dando lugar a la producción de un par electrón-positrón.
Excelente articulo, Francis, lo he disfrutado mucho, felicidades! 🙂 Me ha cautivado en particular el box sobre la mal llamada «ecuacion del amor». Creo que hubo un par de problemita a la hora de imprimir las potencias (error de «Muy Interesante», por supuesto!), porque creo que los coeficientes son α^2 =1 y β^2=1 y allì pusieron simplemente un producto x2, asi como un exponiente en la ecuacion completa de la E^2 de Einstein. Por cierto, si tomamos como hizo Dirac una ecuacion escalar del tipo Klein-Gordon nos salen obviamente coeficientes de Ψ negativo porque la derivativa parcial y la masa son al cuadrado. Y si tomaramos la sugestion de Feynman y Wheeler del «single electron universe» donde hay un unico electron que cuando va hacia atras en el tiempo se porta como un positron, podria ser una interpretacion de estas «probabilidades negativas»? Me explico, porque si no puedo parecer un loco (y no te digo que podria no serlo ajaja) pero…si las probabilidades de un futuro conociendo un pasado son menores que uno, ya que un unico futuro puede ser el producto de una serie de pasados posibles que desconocemos, la probabilidad efectivamente (nuestra ignorancia) puede ser quizas menor que cero: no solo no conocemos el pasado, si no que hay *varios* pasados posibles que desconocemos y que nos llevan a un mismo futuro conocido. Bueno, nada, tan solo felicitarte tu excelente trabajo para acercar la Ciencia a los curiosos que te molestamos ejeje un abrazo! 🙂
Thomas, mea culpa, «hubo un par de problemitas a la hora de imprimir las potencias», tenía que haber usado superíndices unicode, en lugar de superíndices de Word. Trataré de recordarlo para futuras ocasiones.
Por otro lado, el problema es que la densidad natural de la ecuación de Dirac no se puede interpretar como una densidad de probabilidad, pues tiene valores positivos y negativos. La idea de arreglarlo haciendo que el tiempo transcurra de forma simultánea hacia el futuro y hacia el pasado no tiene sentido físico (como no lo tiene la película Tenet). La ecuación de Dirac debe ser interpretada como una ecuación para un campo cuántico, en cuyo caso el operador equivalente a la densidad de probabilidad se transforma en un operador que cuenta el número de dos tipos de partículas (cuyos autovalores son la diferencia entre el número de electrones y el número de positrones, diferencia que puede ser negativa).
No pasa nada, me ha encantado el artículo y siempre leerte es muy estimulante. Hace que nos desprendamos un poco de los problemas más triviales de la existencia, lo cual se agradece. Es como despegar un poco y ver las cuestiones en perspectiva «aerea»: hay cosas más profundas que preguntarse y tus artículos lo logran. ¡Hasta el próximo artículo! 🙂
¿Se ha conseguido alguna vez un condensado Bose-Einstein de antimateria? Si no, ¿cómo de lejos estamos de conseguirlo, qué hace falta?
Emilio, no se ha conseguido, pero no hay ninguna ley que lo impida. El único problema es que hay que fabricar mucha antimateria (en el BEC se parte de un gas con muchos átomos que se enfría, perdiendo casi todos sus átomos, hasta condensarse a muy baja temperatura). La antimateria de antiátomos es el material más caro de fabricar. No creo que en en los próximos siglos se pueda fabricar suficientes antiátomos como para producir un BEC de materia oscura.
No digas centurias y solo dí decenios. En el siglo XXIV, en 2330, la antimateria del antiprotio o antilitio se abaratará si proseguimos. Eso sí, cerebros positrónicos no habrá, un PET por cada sinapsis no será posible. Lo sentimos.
Bose-Einstein condensatio de materia oscura no, de la diáfana pero con anticarga eléctrica. En 2025 sabremos qué es exactamente la carga eléctrica, el espinor de Dirac.