La materia se define según las condiciones requeridas por la Física Moderna como cualquier campo, entidad, o discontinuidad traducible a fenómeno perceptible que se propaga a través del espacio-tiempo a una velocidad igual o inferior a la de la luz y a la que se pueda asociar energía. Así todas las formas de materia tienen asociadas una cierta energía pero sólo algunas formas de materia tienen masa. La materia masica, es decir aquella que tiene masa esta compuesta por agrupaciones de átomos o por uniones de estos (moléculas), los átomos a su vez se consideran básicamente formados por:
Electrones: partículas leptónicas con carga eléctrica negativa.
Protones: partículas bariónicas con carga eléctrica positiva.
Neutrones: partículas bariónicas sin carga eléctrica (pero con momento magnético).
Además existen otras partículas subatómicas
La antimateria puede ser definida como un tipo de materia formado por antipartículas, es decir la antimateria tiene una estructura similar a la de la materia pero las partículas de las que esta formada son diferentes a las partículas que forman la materia. La diferencia entre estas partículas radica en su carga eléctrica o en su momento magnético. Así pues las partículas más importantes que forman los “antiátomos” son:
El antiprotón: también llamado protón negativo, su carga eléctrica es negativa y no forma parte del núcleo “antiatómico”, se establece en el vacío y no se desintegra espontáneamente, si un antiprotón colisiona con un protón ambas partículas se transforman en mesones
El antielectrón: también llamado positrón, su carga eléctrica es positiva, se produce en algunos procesos radioquímicos como parte de transformaciones nucleares
El antineutrón: al igual que el neutrón tiene carga eléctrica neutra, pero esta conformado por antiquarks, dos antiquarks abajo y uno arriba, su momento magnético es de -1.91 μN magnetones nucleares
Representación de la materia (hidrógeno y sus elementos básicos) y la antimateria (antihidrógeno y sus elementos básicos)
En 1929 el físico Paul Dirac sus estudios de física cuántica en los espines no relativistas de Pauli le permitieron hallar la llamada ecuación de Dirac la cual describe la existencia del electrón y predecir la existencia del positrón. Sus descubrimientos le hicieron merecedor del premio Nobel de Física en 1933
En 1932 Carl Anderson del Instituto Tecnológico de California confirmó la teoría de Dirac detectando la existencia el positrón Podemos ilustrar el descubrimiento de Anderson considerando algunas interacciones en una cámara de burbujas. La cámara de burbujas es esencialmente un “contenedor” de hidrogeno liquido supercaliente. El hidrógeno no solo es el detector, sino que sus protones forman un objetivo para una emisión de partículas entrantes. Cuando un objeto cargado pasa a través del hidrógeno supercaliente, estas dejan detrás un rastro de burbujas, para una cámara como la usada por Anderson, el rastro de una partícula de carga similar deja detrás una serie de burbujas. En el experimento de la cámara de burbujas, los protones objetivos de hidrógeno están siendo bombardeados con una emisión de alta energía negativamente cargados (mesones pi), estos objetos eran, por supuesto, desconocidos para Anderson en 1932. En 1955 un equipo de la Universidad de Berkeley formado por los físicos Emilio Segre, Owen Chamberlain, Clyde Weingand y Tom Ypsilantis lograron hallar el primer antiprotón y un año más tarde en las mismas instalaciones otro equipo, formado por Bruce Cork, Oreste Piccione, William Wenzel y Glen Lambertson ubicaron el primer antineutrón. En 1965 un equipo soviético utilizando el acelerador de partículas más poderoso que existía en ese tiempo, logró detectar la primera “antipartícula” compleja de antimateria, el antideuterio (el deuterio es el isótopo estable del hidrógeno), y posteriormente el antihelio (el helio es el elemento químico de número atómico 2). En 1978 en el Consejo de Investigación de Alta Energía (CERN) en Ginebra fue posible crear el antitritio (el tritio es el isótopo inestable del hidrógeno) y en 1981 allí se realizó el primer choque controlado entre materia y antimateria, donde fue posible comprobar la hipótesis de la cantidad de energía que se libera al aniquilarse mutuamente.
Sin embargo todavía no había sido posible producir antiátomos (es decir no se había producido antimateria de forma experimental), en 1992 los físicos Stan Brodsky e Ivan Schmidt lograron resolver una parte del problema en forma teórica, para reducir la velocidad de las antipartículas, después Charles Munger empezó una serie de pruebas junto con su equipo. El 4 de Enero 1996 fue anunciado por un equipo formado por científicos alemanes e italianos en el CERN la creación de los primeros 9 antiátomos de antihidrógeno, utilizando el acelerador LEAR (Low Energy Antiprotón Ring) el cual disparó un chorro de antiprotones contra una capa de gas Xenón, durante este proceso se producen pares electrón-positron, una pequeña fracción de los positrones viajan a casi la misma velocidad de los antiprotones, los cuales forman un antiátomo de antihidrógeno, debido a que estos antiátooms son eléctricamente neutros no fueron atraídos por el campo magnético del acelerador, el antiprotón sigue en línea recta, mientras que el positrón choca con un electrón, generando una emisión de rayos gamma la cual deja huella en una placa de silicio, al final del experimento se detectaron 11 choques de los cuales 9 fueron considerados indudablemente huellas de antiátomos de antihidrógeno, mientras que se consideró que los otros dos pudieron ser reacciones de fondo. La probabilidad de crear estos antiátomos era del 0.00000000000000001 %, y su vida fue de unos 10 segundos, hasta encontrar materia y aniquilarse con ella, por esta razón resulta necesario la creación de dispositivos que permitan atrapar y conservar la antimateria, evitando su contacto con la materia ordinaria. El Laboratorio Nacional de Los Alamos diseñó un envase que utilizando campos eléctricos y magnéticos logra mantener estable la antimateria, recientemente el científico japonés Masaki Hori ha propuesto una nueva forma de almacenar antiprotones utilizando radiofrecuencias en lugar de campos magnéticos, en 2005 los físicos norteamericanos Eduardo Martínez. Allen Mills y David Cassidy de la Universidad de California, han creado en laboratorio una molécula de materia y antimateria que, si bien había sido predicha por la teoría, nunca había sido observada. Se trata de una molécula de dipositronio, compuesta de dos electrones y dos positrones. El positronio es un átomo exótico que, una vez creado, se desintegra en menos de 142 milmillonésimas de segundo y se transforma en fotones de alta energía llamados también rayos gamma
Representación del experimento en el CERN que creo los primeros átomos de antihidrógeno
Recolector de Antiprotones y Acumulador de Antiprotones
Anillo de Antiprotones de Baja Energía
En estado natural la antimateria es muy difícil de detectar. Hasta ahora, solamente se ha podido observar una nube de positrones que fue detectada cerca de un torrente de rayos gamma, ubicado en las cercanías del centro de la Vía Láctea, y que estaba siendo monitoreado por el espectrómetro OSSE. Tanto de la nube de positrones como de los rayos gamma no se conocen las fuentes de origen, se presume que deberían encontrarse en algún lugar cercano al centro de la galaxia. En donde se cree que las estrellas son destrozadas por estrellas de neutrones y agujeros negros, este proceso generaría unos 10^41 positrones. Desde 1993 científicos japoneses y estadounidenses realizan un experimento llamado BEES (Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer) el cual consiste en un gran globo aerostático que se eleva hasta unos 37 kms de altura con unas 2 toneladas de equipo que tiene como objetivo detectar antiátomos de antimateria provenientes del espacio, hasta el momento solo ha sido posible detectar antiprotones producto de colisiones o como resultado de los primeros agujeros negros en el universo. No se sabe por que parece haber no existir la antimateria en estado natural, lo cual es un misterio debido a que al generadas por un mismo suceso deberían existir casi en cantidades iguales, se ha teorizado que como resultado del Big Bang una pequeña cantidad de materia sobrevivió a su mutua aniquilación
Al entrar en contacto con la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente, liberándose en el proceso una gran cantidad de energía, en comparación:
La densidad de energía ideal es decir la cantidad de energía máxima que se puede producir depende del método utilizado para obtener la energía, así utilizando reacciones químicas (por ejemplo al quemar combustible) es de 1 * 10^7 Joules/Kg.; utilizando fisión nuclear es de 8 * 10^13 Joules/Kg.; utilizando fusión nuclear es de 3 * 10^14 Joules/Kg.; mientras que en la aniquilación de materia y antimateria es de 9 * 10^16 Joules/Kg. La razón por la que se genera tanta energía es debido a que en la aniquilación toda la materia se convierte en energía, es decir se da la conversión expresada en la famosa ecuación e = mc^2, formulada por Albert Einstein. Esto convierte a la antimateria en un excelente combustible ya que con una mínima cantidad de ella podría generarse una enorme cantidad de energía, se ha investigado su utilización aun teórica como combustible de naves espaciales, según estudios realizados por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA han determinado que 10 miligramos de antimateria son suficientes para llevar una nave espacia al planeta Marte, otra gran ventaja es la velocidad que podría alcanzar, estimada en una tercera parte de la velocidad de la luz (la velocidad de la luz es de 299.792,458 Km/s) es decir que recorrería el trayecto en solo unos minutos en comparación la sonda Mars Global Surveyor demoró 11 meses en llegar a Marte, esta tecnología sería fundamental para la exploración del resto del Sistema Solar y de las estrellas cercanas (a esta velocidad el viaje a la estrella más cercana tardaría unos 14 años). Existen cuatro diseños principales para un hipotético cohete de antimateria: Núcleo Sólido, Núcleo Gaseoso, Núcleo de Plasma y Núcleo de emisión, este orden corresponde desde el menos eficiente al más eficiente.
Esquema de un hipotético Motor que usa antimateria como combustible
Esquema de una hipotética Nave Espacial que usa antimateria como combustible, se considera que el motor debe estar lo mas alejado posible de los astronautas
Sin embargo todavía quedan problemas que impiden la utilización de antimateria para este fin, la producción de antimateria aún es muy baja, y su costo de producción y almacenaje es altísimo, en el caso de realizar misiones tripuladas también se presenta el problema de la fuerte radiación en forma de rayos gamma que son producidos por esta aniquilación.
Esquema del experimento realizado por el CERN para obtener los primeros antiátomos
Otra aplicación de la antimateria esta en la medicina, desde 2006 se ha investiga la utilización de antiprotones en el tratamiento contra el cáncer, si bien la medicina nuclear aplica desde hace medio siglo terapias que destruyen células cancerígenas gracias a la irradiación de protones sobre los tumores cancerígenos. Ahora se ha descubierto que las partículas de antimateria son más efectivas para destruir células enfermas. Este descubrimiento esta aun en fase experimental pero, promete convertirse en una terapia apenaLow Energy Antiprotón Rings invasiva, capaz de respetar los tejidos sanos, y enormemente eficiente. Con el fin de simular un corte transversal de tejido dentro de un cuerpo, se suspendieron en gelatina unos tubos rellenos de células de hámster, sobre las que los investigadores hicieron incidir un haz de protones y otro de antiprotones en un campo de acción de dos centímetros de profundidad hacia dentro del tubo y desde uno de sus extremos. Luego se evaluó el porcentaje de células supervivientes tras la radiación a lo largo del camino que había seguido el haz de partículas y antipartículas. Los resultados demostraron que los antiprotones fueron aproximadamente 3.75 veces más efectivos que los protones. Al inicio de la incidencia del rayo de protones y del de antiprotones, éstos eran más o menos igual de efectivos. Sin embargo, en la parte final del camino recorrido por las partículas y antipartículas, el daño celular efectuado por los antiprotones había fue mayor.
Debido a la enorme cantidad de energía liberada durante aniquilación de la antimateria con la materia, también se ha considerado su uso como arma potencialmente una pequeña cantidad podría ser mucho más poderosa que las bombas atómicas actuales
Otros experimentos son: El rayo de positrones que es un generador de energía a partir de pilas de combustible de dióxido de uranio recubierto de zircaloy, el cual es puesto al vacío desde donde salen el haz o rayo de positrones se pretende utilizar este intenso haz de antimateria en la investigación y el entendimiento de nuevos tipos de materiales, algunos como los espectrómetros y el microscopio de antimateria, que es teóricamente capaz de “escarbar” mucho más profundamente en el mundo subantiatómico. También se esta desarrollando un método para medir la fuerza de gravedad sobre la antimateria, disparando un rayo de antiátomos de antihidrógeno, este experimento esta aún en una fase muy básica, sin embargo los resultados podrían explicar la poca cantidad de antimateria que se detecta.
Fuentes
www.wikipedia.org
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-06_09.htm
http://www.upscale.utoronto.ca/
http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/factory/AM-factory00.html
http://www.cienciakanija.com/2007/08/14/proyecto-para-almacenar-antimateria-en-una-%e2%80%9cpapelera%e2%80%9d/
http://www.nasa.gov/mission_pages/exploration/mmb/antimatter_spaceship.html
http://www.tendencias21.net/La-antimateria-es-eficaz-contra-el-cancer_a1226.html
http://www.galenicom.com/en/medline/article/17069916/q:The%252520Biological%252520Effectiveness%252520of%252520Antiproton%252520Irradiation%3bjo:0167-8140
http://www.fisicanet.com.ar/quimica/materia/ar03_antimateria.php
http://www.aprendergratis.com/medir-la-fuerza-de-la-gravedad-sobre-antimateria.html
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