21 de noviembre de 2010

El experimento ALPHA del CERN ha logrado capturar 38 antiátomos durante algo más de un sexto de segundo.
¿Qué significa esto? ¿Por qué es importante?

Salió publicado en prensa el jueves pasado: el experimento ALPHA del CERN ha logrado capturar 38 átomos de antimateria durante diecisiete centésimas de segundo, antes de que se fugaran. Qué pasada, ¿eh? Qué barbaridad, qué cosas hace la ciencia...
...
...venga, en serio. 😀 A ver, que levante la mano quien pueda decir qué significa esto y por qué tiene a los físicos de medio mundo descorchando el champán bueno (vale, si eres físico, me imagino que ya sabes por qué andas borracho; pero ¿y si no? ¿Eh? ¿Eh? 😉 ).

Antimateria.

Ya explicamos en este blog qué es la antimateria. Para resumirlo rápidamente, haré aquello tan feo de citarme a mí mismo:

La antimateria es, sencillamente, materia donde alguna de las cargas está invertida con respecto a la materia corriente. Veámoslo con un electrón, que se comprende muy bien. El electrón, como leptón que es, tiene masa y spin pero sólo una carga: la eléctrica, siempre negativa. Su antipartícula, llamada positrón, posee exactamente la misma masa, spin y carga eléctrica; sin embargo, en este caso la carga eléctrica es positiva.

De esta forma el positrón mantiene todas las propiedades de su antipartícula el electrón pero electromagnéticamente reacciona al revés. Por ejemplo: dos electrones, por tener carga negativa, tienden a repelerse entre sí. Pero un electrón y un positrón, aunque en todo lo demás sean idénticos, tienden a atraerse entre sí porque uno tiene carga eléctrica negativa y el otro positiva. Y así con todo.

Con los quarks ocurre lo mismo. El quark arriba, por ejemplo, tiene una carga eléctrica de +2/3 (dos terceras partes de la de un positrón). Antiarriba, en cambio, tiene una carga eléctrica de -2/3 (dos terceras partes de la de un electrón). Su carga cromática también cambia: si por ejemplo está en estado rojo, el antiquark estará en anti-rojo, que se suele llamar magenta. (Que esto de los colores no te confunda: es una forma simbólica de representar su estado de cara a la cromodinámica cuántica; no tiene nada que ver con colores de verdad).

Veamos lo que ocurre entonces con un protón y un antiprotón; por ejemplo, respecto al electromagnetismo, que es más sencillo. Hemos quedado en que los protones (como todos los bariones) están compuestos de tres quarks, y que en su caso éstos son dos arribas y un abajo. El quark arriba lleva una carga eléctrica de +2/3 y el quark abajo, otra de –1/3. Sumémoslas: (+2/3) + (+2/3) + (–1/3) = +3/3 = +1. Resultado: el protón tiene una carga positiva.

Ahora contemplemos el antiprotón, formado por dos antiquarks arriba (carga –2/3) y un antiquark abajo (carga +1/3). Observa que está formado exactamente igual, sólo que con las versiones invertidas de los quarks. Sumemos (–2/3) + (–2/3) + (+1/3) = –3/3 = –1. Resultado: el antiprotón tiene una carga negativa.

El resto de cargas también se invierten. En aquellos leptones que no tienen carga eléctrica (los neutrinos) se invierte otra propiedad distinta, la helicidad, que es la proyección del spin relativa al momento de inercia. O, alternativamente, es posible que sean partículas de Majorana y constituyan su propia antipartícula.

La antimateria ha llamado la atención de muchas personas, entre otras cosas por sus propiedades energéticas explosivas. Cuando la materia entra en contacto con la antimateria, se aniquilan mutuamente siguiendo la conocida fórmula E=mc². Pero, así como en la fisión y en la fusión sólo es una minúscula parte de la materia o energía del átomo las que se liberan, en la aniquilación materia-antimateria toda la masa se transforma íntegramente en energía. Y esto, compi, es de una potencia pavorosa, la reacción más energética posible en todo el universo conocido:

Medio gramo de materia interactuando con medio gramo de antimateria (un gramo de masa total) genera espontáneamente 89.876 gigajulios de energía (se obtiene aplicando simplemente E = mc²; E = 0,001 · 299.792.458² = 89.875.517.873.682 J). En términos de energía utilizable, esto equivale a unos 25 gigawatios-hora (una central nuclear como Cofrentes tirando watios a toda mecha durante casi un día entero); si queremos presentarlo en términos de energía explosiva, son 21,5 kilotones: como Nagasaki más o menos. Con un solo gramo de material.

Comparemos. El uranio-235 de grado militar puede llegar a producir, óptimamente, 88,3 gigajulios por gramo; la mezcla usada normalmente en las centrales civiles, entre medio y tres y medio. Por debajo de mil veces menos. La fusión del deuterio-tritio en las armas termonucleares puede alcanzar 337 gigajulios por gramo; y la fusión más energética posible roza los 650; esto es, ciento y pico veces menos.

La aniquilación materia-antimateria tiene otra ventaja: a diferencia de la fusión, se produce espontáneamente en todos los rangos de energía. A diferencia de la fisión, se produce con cualquier cantidad de materia/antimateria. Esto significa que no presentaría problemas de contención: el diseño conceptual de un reactor de materia-antimateria se parecería mucho al de un carburador o, si lo prefieres, a un motor cohete o una central térmica normal. Si necesitas más energía aumentas un poco el flujo, si necesitas menos lo reduces, si dejas de necesitar lo cortas. Eso es todo.

Como la antimateria presenta propiedades exactamente simétricas a la materia (o eso hemos observado hasta el momento), puede organizarse de manera idéntica. Un universo de antimateria sería indistinguible de un universo de materia. Este nuestro podría ser un universo de antimateria donde anduviéramos a la caza de la materia. De hecho, lo es: el "pro" y el "anti" dependen exclusivamente del punto de vista humano. Así pues, la antimateria se organiza en átomos igual que la materia:

Entonces imaginemos un átomo, el más básico de todos: el hidrógeno-1 o protio (hidrógeno corriente). Está compuesto por un protón (carga eléctrica positiva) y un electrón (carga eléctrica negativa) en órbita alrededor. Esta configuración es posible porque el protón y el electrón, al tener cargas distintas, tienden a atraerse (igual que hace la gravedad con una nave espacial en órbita alrededor de un planeta).

Si sustituimos el electrón por su antipartícula el positrón, o el protón por un antiprotón, este átomo se vuelve imposible: ambos tendrían idéntica carga, se repelerían violentamente y saldrían despedidos cada uno por su lado.

Pero si sustituimos los dos –el electrón y el protón– por un positrón y un antiprotón, el átomo es igualmente posible porque las relaciones entre ambos se mantienen; sólo que ahora están invertidas. Ahora la carga positiva está en el positrón orbitando y la negativa se halla en el antiprotón del núcleo, pero como la relación entre ambas se mantiene (cargas invertidas), el átomo puede existir. Y se llama antihidrógeno. No sólo puede existir, sino que hemos fabricado un poquitín. El CERN (sí, los mismos del LHC) fue el primero en lograrlo, probablemente en 1995 y de manera verificada a partir de 2002 en sus deceleradores de partículas. En los aceleradores también se ha creado un pequeño número de núcleos de antideuterio (antihidrógeno-2) y antihelio-3. Hablamos, en todo caso, de cifras de billonésimas de gramo. Con la tecnología presente, su coste sería tan exorbitante como su rareza: aproximadamente, 50 billones de euros por un gramo de antihidrógeno.

Pero no todo es tan difícil. Por ejemplo, ya existen desde hace algunos años aplicaciones tecnológicas basadas en la antimateria, como la tomografía por emisión de positrones (PET) de uso generalizado en medicina moderna.

El Big Bang produjo, sobre todo, grandes cantidades de hidrógeno: la mayor parte protio y alguna pequeña cantidad de deuterio y tritio. También pudo formar algo de helio, litio y berilio. Todos los demás elementos que componen el cosmos –eso nos incluye a nosotros– surgieron en las estrellas; como decía Sagan, somos esencialmente polvo de estrellas. Y el Big Bang produjo sobre todo hidrógeno precisamente porque es el elemento más sencillo. Digamos que fue un suceso demasiado primitivo para formar cosas mucho más sofisticadas; éstas necesitaron procesos mucho más largos y complejos, en el corazón de los soles. Cuando las personas intentamos crear antimateria, también empezamos por el elemento más básico. Como ya hemos dicho, este es el antihidrógeno: un antiprotón en el núcleo y un positrón (antielectrón) orbitando alrededor.
La institución líder en el mundo para estas cuestiones de física súperavanzada es la Organización Europea de Investigaciones Nucleares (también llamada Laboratorio Europeo para la Física de Partículas), más conocido por sus siglas originales CERN. Hay otras instituciones de gran prestigio, pero algunas cosas que se hacen en el CERN no se hacen ni se pueden hacer en ningún otro lugar. Como resulta bien sabido, el CERN dispone del LHC, el acelerador de partículas más grande y potente del mundo por casi un orden de magnitud. Pero no solamente eso: también cuenta con algunos otros medios únicos. Entre ellos se encuentra el Decelerador de Antiprotones (AD). ¿Qué es esto de un decelerador?
La fábrica de antimateria.
El Decelerador de Antiprotones sucede a tres máquinas de antimateria anteriores desarrolladas en el CERN: AA, AC y LEAR. Aunque en 1995 LEAR creó al menos 9 átomos de antihidrógeno (la primera producción de antimateria atómica de la historia), en 1996 estas tres máquinas se cerraron porque era preciso liberar recursos económicos para la construcción del LHC. Cosas de las reducciones de costes y tal. Sin embargo, un grupo de científicos no estuvo de acuerdo con esta cancelación y presionaron para que se instalara al menos una nueva máquina de bajo coste. Esta nueva máquina fue el Decelerador de Antiprotones (AD).
Un decelerador es un tipo particular de acelerador; en esencia, un anillo de almacenamiento que hace cosas. Cuando una partícula choca con un blanco a velocidades próximas a las de la luz –de esto se encarga el acelerador–, se producen temperaturas locales enormes, en el rango de diez billones de grados. Sí, millones de millones. A estos niveles, una parte de la energía generada se transforma en materia: con estas máquinas somos capaces de crear materia nueva a partir de la energía. Y siempre, siempre surge como un par partícula-antipartícula. Esto es, materia y antimateria. Tal como predijo Paul Dirac a principios del siglo XX, nunca se ha observado que surja un número desigual de partículas materiales y antimateriales. Esta materia-antimateria sigue las mismas leyes que toda la demás del cosmos, con lo que forma cosas conocidas: protones, neutrones, electrones, antiprotones, antineutrones, positrones y demás fauna habitual.

Cuando se lanzan protones (casi siempre producidos por el Sincrotrón de Protones) contra un blanco, aproximadamente en un impacto de cada millón se forma un par protón-antiprotón. Parece una cifra muy baja, pero como el Sincrotrón de Protones produce muchos, pueden generarse más o menos diez millones de antiprotones por minuto. Estas partículas siguen avanzando con elevada energía, pero no todos con la misma ("esparcimiento de energía", energy spread), ni tampoco en la misma dirección ("oscilación transversa"). Parecen un montón de críos traviesos saliendo de clase a la carrera, cada uno a una velocidad y con una dirección.
Cada vez que una de estas antipartículas entra en contacto con una partícula (por ejemplo, en las paredes del acelerador) ambas se aniquilan instantáneamente, generando energía. Sin embargo, son tan minúsculas y su número es tan bajo que no causa ningún efecto visible a los ojos. Pero, en todo caso, esto no nos conviene: queremos esos antiprotones para hacerles cositas. Así pues, utilizamos magnetos para obligarles a continuar por un camino determinado (que está, por supuesto, al vacío). De este modo llegan al decelerador, un anillo de doscientos metros de diámetro, donde continúan dando vueltas sin tocar las paredes por acción de estos magnetos.
A cada vuelta que dan por dentro del anillo, los intensos campos magnéticos van frenándolos. Cuando su velocidad desciende a una décima parte de la de la luz, se consideran decelerados y un cambio súbito en el campo magnético los saca hacia la línea de eyección, donde ya los tenemos disponibles para hacer cosas con ellos de manera manejable. Por su parte, los positrones (antielectrones) suelen proceder del isótopo radioactivo sodio-22. El experimento ATRAP se encargó de decelerar y acumular estas antipartículas frías para dar el siguiente paso: la creación artificial de antiátomos a escala significativa.
En agosto de 2002, el experimento ATHENA logró combinar estos antiprotones y positrones para formar muchos átomos de antihidrógeno de baja energía, muchos más que aquellos nueve originales de 1995: produjo cincuenta mil de ellos en un momentín. Esto se pudo confirmar con bastante facilidad, por el sencillo método de observar y contar las aniquilaciones subsiguientes con la materia del entorno.

Domando antiátomos.
Este fue un éxito enorme de esos que cabe celebrar con pompa y fanfarria. Por primera vez habíamos obtenido antimateria atómica manejable en cantidad suficiente para hacer algo con ella; y lo primero, por supuesto, estudiarla. Así se empezó a resolver una de las grandes preguntas de la física: la antimateria, ¿es de veras totalmente simétrica con respecto a la materia o presenta alguna anomalía oculta? Según el teorema CPT, sus espectros debían ser idénticos, con completa precisión. En estos momentos, sabemos ya que sus propiedades son especulares por completo hasta una precisión de una parte en cien billones.
ATHENA y ATRAP produjeron antihidrógeno combinando antiprotones y positrones en unas botellas electromagnéticas que se llaman trampas de Penning. Las trampas de Penning tienen fuertes campos magnéticos solenoidales y pozos electrostáticos longitudinales que son capaces de confinar las partículas cargadas. Como el antiprotón presenta carga negativa y el positrón la tiene positiva, ambas resultan contenidas en estas trampas de Penning.
Sin embargo, cuando ambas partículas se combinan en un átomo, la carga negativa del antiprotón y la positiva del positrón se anulan mutuamente. Entonces, el átomo de antihidrógeno resultante es electromagnéticamente neutro. Las trampas de Penning no pueden contener cosas neutras y nuestro precioso átomo antimaterial entra rápidamente en contacto con la pared material de la botella, aniquilándose pocos microsegundos después de su formación. Para estudiar el antihidrógeno con técnicas más detalladas (como la espectroscopia láser) hay que contenerlos durante más tiempo. Como mínimo, durante un séptimo de segundo en esa mezcla de anti-átomos neutros y partículas constituyentes cargadas.
Para resolver este problema se creó el experimento ALPHA. Se pueden atrapar átomos o antiátomos neutros porque tienen momento magnético y éste puede interactuar con un campo magnético exterior. Si creamos una configuración de campo con una fuerza magnética mínima, desde donde el campo se desarrolle en todas direcciones, algunos estados cuánticos del átomo se verán atraidos hacia esta región de potencia mínima. Esto suele adquirir la forma de una trampa de Ioffe-Pritchard. La idea es que cuando el antiátomo se forme, lo haga ya "prisionero" en esta trampa, disponible para su estudio al mentos durante unas fracciones perceptibles de segundo.
Y eso es exactamente lo que se supo logrado el pasado miércoles: ALPHA fue capaz de capturar 38 antihidrógenos neutros durante 170 milisegundos, más de un sexto de segundo y por tanto más de lo necesario para poder estudiar la antimateria con espectroscopia láser como si se tratara de materia vulgar. Se abre así la puerta para comprender uno de los misterios más sobrecogedores de este universo: su asimetría bariónica y por tanto la violación de la simetría CP.

Explicación del funcionamiento de la "trampa de antiátomos" del experimento ALPHA (CERN). (En inglés)

Entonces, ¿esto para qué sirve?
En nuestro universo hay algunas cosas notables que todavía no nos cuadran. Una de ellas es este hecho sencillo: si la materia se forma siempre en pares partícula-antipartícula, si a cada partícula de este universo le corresponde una antipartícula... entonces, ¿dónde está toda la antimateria? Si durante el Big Bang se hubiera formado tanta materia como antimateria, ambas se habrían aniquilado entre sí y el cosmos no existiría ahora mismo.
Para empezar, ¿cómo sabemos que el universo es esencialmente material y no antimaterial? Bueno, pues porque todas las interacciones que conocemos hasta el momento sugieren un predominio radical de la materia. Cuando mandamos naves a otros planetas, no se aniquilan. En los rayos cósmicos que llegan a la Tierra, procedentes del Sol y del resto de la galaxia, hay diez mil veces más protones que antiprotones. Tampoco estamos detectando la energía de aniquilación que debería producirse en las regiones de transición entre galaxias de materia y galaxias de antimateria, si estas últimas existieran. La cantidad de antimateria en el cosmos parece ser extraordinariamente baja, y existe sólo cuando se forma a partir de procesos de la materia.
Aparentemente, la inmensa mayor parte del universo se aniquiló a sí misma durante el Big Bang. Edward W. Kolb y Michal S. Turner han estimado que durante el origen de todo se formaron treinta millones de antiquarks por cada treinta millones y un quarks. Tras la aniquilación, esa diferencia de un quark por cada treinta millones formó el cosmos presente.
Dije más arriba que en el laboratorio siempre observamos cómo de la energía surgen pares partícula-antipartícula y nunca desigualdades entre partículas y antipartículas. Esto no es exacto. En realidad, puede surgir más materia que antimateria bajo las condiciones de Sakharov; se han registrado muchas violaciones de la simetría CP y recientemente se han encontrado indicios de formación asimétrica de muones-antimuones en el Tevatrón del Fermilab estadounidense. El logro del CERN, junto a los demás avances en el campo, no sólo apuntan ya a una comprensión más profunda de los primeros momentos del universo –la ruptura de la supersimetría y la bariogénesis primordial–, sino que sugieren posibilidades futuras relacionadas con la transformación de la materia en energía y de la energía en materia.

Hay personas que no entienden por qué todo esto es importante ni por qué algunos defendemos a capa y espada que se prioricen recursos para esta clase de investigaciones, cuando hacen falta tantas cosas en el mundo y encima ahora que estamos en crisis. Por lo general, estas personas ignoran un hecho sustancial del progreso humano: desde hace más de cien años, sin teoría no hay práctica, sin ciencia no hay tecnología. Hubo una época, siglos atrás, en que era posible avanzar la tecnología por la cuenta de la vieja: trasteando con cosas hasta que hallabas una solución a un problema. Sin embargo, nada de lo que hemos visto suceder en el último siglo habría sido posible sin el desarrollo teórico de la ciencia. En cuanto subes un poquito el nivel, sin teoría previa, no hay práctica que valga. Tienes que comprender cómo funcionan las cosas antes de hacer algo con ellas, y no digamos ya de crear cosas nuevas.
Por ejemplo, toda la tecnología electrónica e informática moderna se derivan directamente de la Teoría Atómica, la Teoría de la Relatividad y la Teoría Cuántica, originadas a principios del siglo XX. No existe forma alguna de crear un transistor electrónico sin tener primero claros estos conceptos, y no digamos ya construir un microchip; lo mismo ocurre con la química moderna, los nuevos materiales y en general todo lo que constituye el mundo que conocemos. La medicina contemporánea sería imposible sin la Teoría Microbiana, la Teoría de la Evolución o los fundamentos teóricos de la farmacología química, entre otras muchas. Y así en todos los casos.
Actualmente, además, la ciencia es multidisciplinar y no le queda otra que serlo cada vez más. Es una situación –vamos a llamarlo así– holística, donde se requiere al mismo tiempo un grado asombroso de hiperespecialización y un grado igualmente asombroso de visión de conjunto. Hoy por hoy, no resulta extraño que un avance teórico en un oscuro rincón del conocimiento tenga consecuencias prácticas en ciencias aplicadas y tecnologías aparentemente muy distintas. Una observación astrofísica del telescopio Spitzer hoy puede ser la clave de tu tratamiento médico dentro de veinte años. Por poner sólo un ejemplo, ¿alguien se imagina un hospital moderno sin máquinas de resonancia magnética?

La física, al estudiar las leyes básicas que rigen el universo, ocupa un lugar central en este proceso ciencia teórica -> ciencia aplicada -> tecnología. Todo avance en física, además de sus derivaciones tecnológicas directas, tiene un efecto inmediato en la química; también en la bioquímica, y por tanto en la medicina; y así en una especie de trama o red del conocimiento que se realimenta a sí misma una y otra vez. De este modo fue como se produjeron todos los grandes avances de la revolución científico-técnica y, sin ello, estamos condenados al estancamiento y la decadencia. Y la ruina. Las sociedades que no son capaces de continuar este proceso se quedan atrás y nadie va a esperarlas.
Las contribuciones anuales de los estados miembros al CERN ascienden a 1.112 millones de francos suizos, unos 823 millones de euros. Esto viene a ser más o menos como el presupuesto de una ciudad del tamaño de Valencia. Sólo en mantener las televisones autonómicas españolas ya nos gastamos mucha más pasta. Los recientes planes de rescate bancario se han tragado el presupuesto entero del CERN durante milenios; aparentemente, es mucho más importante salvar a los causantes de la crisis que apostar por las cosas que pueden contribuir a sacarnos de ella mediante el desarrollo científico-tecnológico.
Para una potencia global como Europa, ochocientos y pico millones de euros anuales es una cifra ridículamente baja hasta el extremo de la mezquindad. Tenemos la institución generadora de ciencia más avanzada del planeta Tierra y andamos haciendo el imbécil con su dinero; ahora, con la excusa de la crisis, los politicastros habituales andan recortándoselo aún más. Esto ya ha ocasionado consecuencias graves y algunas protestas.
Avances como el de esta semana son de importancia extraordinaria y sientan las bases de lo que serán la ciencia y la técnica futuras, como los avances de los científicos anteriores –que también tuvieron que luchar contra la ceguera absurda de los prácticos– constituyeron las bases de la ciencia y la técnica presente. Conforman, así, el antídoto más poderoso contra las eras de oscuridad. Sin ellos, no vamos a ninguna parte y estamos condenados al estancamiento y la recesión; la misma clase de estancamiento y recesión que sufrieron las culturas clásicas e islámicas y ahora empieza a manifestarse de nuevo en otras que no lo son.

Explicación del experimento ALPHA por el Dr. Hangst (en inglés).