“Desde hace años se ha intentado conocer la naturaleza y comportamiento de la antimateria, si bien sólo en los últimos meses se han hecho avances notables que están permitiendo pasar al otro lado del espejo subatómico”, me dice Jeffrey Scott Hangst, líder del Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA), proyecto en curso dentro del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN).
En 1928 Paul Dirac pronosticó la existencia de partículas idénticas a las de la materia que conocemos pero con carga eléctrica contraria. Sin embargo, apenas en este siglo se empiezan a conocer sus características. Se supone que luego del Estallido inicial se crearon cantidades iguales de materia y antimateria. También sabemos que cuando una partícula material se encuentra con su par antimaterial se aniquilan, dejando un rastro de energía pura y ordinaria. Entonces, ¿por qué sólo existe materia? ¿Aún hay antimateria proveniente de aquella época o es antimateria creada en fecha más reciente? Nadie lo sabe aún y se trata de algunas de las interrogantes de la física contemporánea. El detector AMS (del que hemos hablado en este blog), en la Estación Espacial Internacional, sólo ha descubierto antiprotones, más jóvenes, pero ningún antinúcleo con tal antigüedad.
Tan emocionante está resultando el tema que un grupo de físicos teóricos canadienses ha propuesto la existencia de un antiuniverso a fin de explicar esta evidente asimetría en el nuestro. Un universo hecho de antipartículas, en donde la materia tal como la conocemos sería la excepción y las manecillas del reloj correrían hacia atrás desde nuestro punto de vista.
Pero volvamos a la realidad. Hangst me muestra las enormes instalaciones de ALPHA, si bien no alcanzan la magnitud de los cuatro detectores que intersectan el Gran Colisionador de Hadrones, no muy lejos de aquí. Uno de los aspectos peculiares de esta investigación es que maneja un puñado de antiátomos. “Mil no es nada, comparados con los millones de millones que se generan en el detector LHC-b, dedicado a estudiar el origen de la asimetría que nos ocupa”, afirma Hangst.
“Manipular antiátomos no es fácil”, aclara, “para empezar hay que mantener estable su existencia, que suele ser muy efímera”. Entre 1999 y 2005 se llevó a cabo aquí mismo en Ginebra el proyecto ATHENA, un primer intento de producir y mantener activos al menos por una pequeñísima fracción de segundo átomos de antihidrógeno. Sin perder la experiencia acumulada por su predecesor, ahora es posible mantenerlos estables más tiempo: “poco más de 16 minutos”, afirma el doctor Hangst , “tiempo suficiente para estudiar con detenimiento sus propiedades antes de difuminarse, por cierto, de una manera violenta”.
Se trata de fenómenos cataclísmicos a nivel ultra microscópico. A principios del año pasado alcanzaron un nivel de precisión jamás logrado en la investigación de antimateria. “Fue un gran logro”, asegura el doctor Hangst. ¿Cómo lo hacen?
“En el interior del detector donde se lleva a cabo la aniquilación materia/antimateria se encuentran imanes súperconductores inmersos en helio líquido”, responde Hangst, “los cuales son los que realmente atrapan los átomos de antihidrógeno neutros. Pero antes hay que producirlos. Para ello se emplean electrodos que generan campos eléctricos debido a un poderoso imán externo. Tales campos son la trampa temporal que nos está permitiendo empezar a estudiar las propiedades de estas antipartículas”.
Así consiguen crear una nube de positrones (la antipartícula del electrón) y una nube de antiprotones, estos últimos provenientes de una fuente llamada Desacelerador de Antiprotones. Debido a la acción refrigerante del helio líquido, dichas entidades subatómicas casi no se mueven. Instantes después uno de los positrones se escapa de la órbita alrededor del antiprotón, se disipa en forma de energía y obtenemos la configuración del antihidrógeno. Como recordamos de nuestras clases de química, la estructura del hidrógeno contiene un protón y un electrón orbitándolo.
“Obtenemos átomos de antihidrógeno neutros en una tina magnética”, agrega Hangst, “donde flotan apaciblemente y podemos observarlos uno a uno. ¿Cómo sabemos que se trata de antimateria? Porque cuando los dejamos ir los detectores confirman su existencia. En el momento en que los pierdes, sabes que estuvieron allí. De hecho, podemos contarlos de manera individual y seguir su rastro sin confundirlos”.
Ahora bien, ¿qué hacen con estos antiátomos?, ¿qué novedades nos traen del otro lado del espejo?
“Queremos conocer su estructura y comportamiento, saber si son iguales a las del mundo material en el que vivimos. Para ello utilizamos luz de láser que hacemos rebotar en espejos colocados transversalmente en ambos extremos del detector con objeto de amplificarla. Esto nos permite excitar el positrón que orbita en el nivel primario de energía y, como indica la cuántica, enviarlo al segundo nivel de energía. Al añadir dos fotones provenientes del láser el positrón salta de órbita. Cuando agregamos un tercer fotón, el positrón se aleja”.
Semejante hazaña exige controlar con increíble precisión las dosis de energía luminosa que habrán de interactuar con el antihidrógeno. Los investigadores de ALPHA envían luz en diversas frecuencias y analizan la forma en que se comportaron los diversos antiátomos en la tina magnética, si sobrevivieron o no. Incluso han probado diversos sistemas de láser a fin de alcanzar mayores niveles cuánticos de energía.
Antes de terminar 2018 dieron otro paso significativo en el conocimiento de este mundo reverso, y su relación con la luz y la gravedad del anverso. Llevaron a cabo un experimento que tiene que ver con la más enigmática de las fuerzas básicas de la naturaleza: la gravedad.
“Cuando tienes una nube de un gas como el hidrógeno, lo primero que hace es expandirse, subir y luego desciende de manera irregular. El antihidrógeno que creamos está tan frío que simplemente cae atraído por la gravedad. Estas son las primeras pruebas gravitacionales de la antimateria. Si descubrimos alguna diferencia entre el comportamiento de la antimateria y la materia en relación con la gravedad podría conducirnos a una teoría cuántica gravitatoria y, quizá, ayudarnos a explicar qué pasó con la antimateria primordial”, dice Hangst.
escritor y divulgador científico. Su libro más reciente es Nuevas ventanas al cosmos (loqueleo, 2020).
