Mexicanos buscan la antimateria

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Hace casi 80 años el físico inglés Paul Dirac logró una formulación para el comportamiento del electrón en que se mezcló la, entonces, recién descubierta mecánica cuántica con la relatividad de Einstein. Una predicción de la teoría de Dirac que de inmediato llamó la atención de los especialistas fue la existencia de la antimateria. Este resultado sorprendente implicó que todas las partículas que encontramos en la naturaleza se presentan por pares, cuyas propiedades son idénticas, salvo una (generalmente el signo de la carga eléctrica), y que la unión (aniquilación) de una partícula con su “antipartícula” produce energía. Inversamente, también resulta que partículas o luz de muy alta energía, al interaccionar con la materia producen pares partícula-antipartícula. Así, en base a la simetría de las leyes de la física, se ha podido deducir que en la gran explosión que dio origen al universo (el llamado Big-Bang), la enorme energía inicial debió dar como resultado cantidades iguales de materia y antimateria. Un problema con este modelo es que todo parece indicar que, para suerte nuestra, en la época actual el universo está compuesto principalmente de materia. La pregunta natural es entonces, ¿y... qué pasó con la antimateria? Los modelos propuestos para responder a esto coinciden en sugerir que, en un instante dado, la gran mayoría de las partículas de materia y de antimateria se aniquilaron, produciendo una radiación de fondo, descubierta hace pocos años por los investigadores A. Pensias y R. Willson. Lo que no sabemos aún es cómo la materia que nos rodea sobrevivió a esta catástrofe. Una hipótesis es que la simetría en que se basa el modelo no es exacta, y que el exceso de materia que ahora vemos siempre existió. Si bien hay evidencias experimentales a favor de esa teoría, aún no se explica satisfactoriamente el tipo de materia que sobrevivió. Otra posibilidad es que originalmente se dieron pequeñas inhomogeneidades espaciales en que ya sea la materia, o la antimateria, resultaron dominantes, y que en la expansión estas zonas se separaron, aniquilándose toda la materia y la antimateria intermedia. En ese caso, al igual que la materia, la antimateria debió formar el mismo tipo de estructuras que hoy observamos en el universo, con estrellas y galaxias. De ser así, hoy en día sería difícil deducir si algún objeto celeste observado desde la Tierra está hecho de materia o de antimateria, pues la luz emitida en ambos casos sería idéntica. Sin embargo, además de luz, las estrellas también emiten un poco de las partículas de las que están compuestas. Esas partículas, que incluyen núcleos atómicos, viajan luego por el universo y constituyen lo que se conoce como la radiación cósmica. Así, bastaría con estudiar estas partículas y (en caso de haber antiestrellas) antipartículas que llegan a la Tierra con gran energía luego de su viaje sideral. Naturalmente, la búsqueda de esta antimateria debería realizarse más allá de la atmósfera terrestre, ya que al interaccionar con ella las antipartículas se aniquilarían. Un grupo de investigadores del Instituto de Física de la UNAM, al cual pertenezco, se ha unido a una colaboración internacional dedicada a resolver este problema. El proyecto, denominado AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), consiste en construir un instrumento que distingue las partículas de las antipartículas, y que será instalado en la Estación Espacial Internacional (EEI) y operará durante 3 años, a partir del año 2007. La construcción del AMS, fue propuesta por Samuel Ting, Investigador del MIT y Premio Nóbel (1976), y con él trabajan investigadores de varios países del mundo, entre ellos nuestro grupo mexicano. El aparato se llama así por estar asociado a la EEI, que es conocida por los norteamericanos como Estación Alfa, y porque el principal instrumento que lo constituye es un imán que permite medir la masa, la carga (y su signo) de las partículas que lo cruzan, constituyendo lo que en física se conoce como un Espectrómetro de Masas. Un componente importante de este instrumento, AMS, es un tipo de detector de partículas, denominado de Cherenkov por reconstrucción de anillos (RICH, en inglés). Este detector sirve para medir la velocidad de las partículas, a partir de una radiación luminosa que se produce cuando las partículas que lo cruzan viajan a velocidades cercanas a la de la luz. Los investigadores del IFUNAM trabajan en particular, en la caracterización óptica del material mismo en el que se produce la luz de Cherenkov, denominado “radiador”. Actualmente, el Proyecto AMS se encuentra en su etapa de desarrollo. Durante 1998 se hizo un vuelo de prueba en el Transbordador Espacial Discovery, de la NASA. La versión final del instrumento, que será instalado en la EEI en el año 2007, está siendo integrada en el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), en Ginebra, Suiza, desde donde escribo esta nota. Habría que añadir, sobre la relevancia científica de este laboratorio, que ahí se han logrado sintetizar antiátomos de hidrógeno, uniendo antiprotones con antielectrones (los también llamados positrones), realizando estudios sobre el comportamiento de esta materia, y buscando posibles asimetrías respecto de los átomos de materia que podrían tener un gran impacto en nuestra concepción actual de la naturaleza y del universo. Por su parte, los mismos investigadores del IFUNAM en forma adicional están desarrollando otro proyecto sobre la antimateria cósmica, que consiste en buscar la presencia de antineutrones en la radiación que se produce cuando los rayos cósmicos interaccionan con las partículas de la atmósfera terrestre. En este caso se ha propuesto que las medidas se realicen en un laboratorio que será instalado a 4,600 metros de altura sobre el nivel del mar, en la cima de una montaña llamada Sierra Negra, ubicada en las faldas del Pico de Orizaba, aprovechando las instalaciones del observatorio denominado Gran Telescopio Milimétrico. Esta búsqueda de las antipartículas de los neutrones es un proyecto enteramente mexicano con el que se buscan evidencias indirectas sobre un posible componente extra solar en el flujo de los antiprotones que llegan a la Tierra. Los antiprotones, que ya han sido observados en experimentos con globos, son producidos en su mayoría cuando los rayos cósmicos chocan con las partículas que componen la atmósfera terrestre produciendo, entre otras cosas, pares protón-antiprotón. Siendo el protón el núcleo del átomo de hidrógeno, el antiprotón, por lo tanto, es el núcleo del antiátomo correspondiente. Los protones, junto con un número similar de neutrones, constituyen el resto de los núcleos. El protón y el neutrón son partículas muy parecidas, sólo que uno posee carga eléctrica y el otro es neutro (de ahí su nombre) e inestable. Es decir, el neutrón (al igual que el antineutrón) cuando está libre decae en unos pocos minutos. La similitud entre los protones y los neutrones hace, sin embargo, que la probabilidad con que un rayo cósmico produce pares protón-antiprotón, es muy parecida a la de producir pares neutrón-antineutrón. Así, al viajar por el universo, los rayos cósmicos producen antiprotones, por lo que su detección no implica la existencia forzosa de antiestrellas en el universo. Por eso con el proyecto AMS se buscan antinúcleos más pesados, como el antihelio o el anticarbón, sin embargo, la cantidad de antiprotones que llegan a la Tierra contienen información importante sobre los procesos que sufren los rayos cósmicos. El problema es que los protones extra solares están mezclados con los que se producen cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera terrestre. Una manera de resolver este problema es observar los antineutrones, ya que su corta vida asegura que éstos sólo pueden originarse en el sistema solar, de preferencia en la atmósfera terrestre. De esta manera, como la producción de antiprotones y de antineutrones es muy parecida, medir antineutrones da información sobre la fracción de los antiprotones que tienen un origen local, permitiendo deducir la cantidad de estos últimos que son de origen extra-solar. Hoy en día la antimateria ha dejado de ser un tema de investigación puramente abstracto, y se utiliza ya en numerosos hospitales, incluidos algunos de la Ciudad de México, para realizar estudios con aparatos denominados PET, o sea Tomógrafos por Emisión de Positrones. En los estudios clínicos, a los pacientes se les inyectan fármacos que contienen núcleos inestables que emiten positrones. Estos fármacos se concentran en algún órgano cuyo funcionamiento se desea estudiar y, los positrones que emiten se aniquilan localmente con los electrones del órgano en cuestión produciendo imágenes que dan información valiosa para los médicos. Por cierto, la aniquilación materia-antimateria es la forma más eficiente que existe para producir energía, mil veces más que la energía nuclear, pues en ella toda la materia se transforma en energía, según la famosa ecuación de Einstein, E=mc2. Con esto en mente, la NASA realiza estudios serios sobre el uso de esta forma de energía, no contaminante, para propulsar los viajes espaciales del futuro.

 
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