El Mundo probable de la antimateria.
¿Pueden existir estrellas y galaxias de antimateria?
Por Beatriz Gato Rivera y Mar Gulis (CSIC)*
Quizás lo más distintivo de la antimateria es que al entrar en contacto con la materia se aniquilan la una a la otra produciendo una gran cantidad de radiación. Si se pudiera almacenar un gramo de antimateria –algo imposible con la tecnología actual–, al entrar en contacto con la materia generaría una deflagración equivalente a más de dos veces la bomba atómica que asoló Hiroshima en 1945.
La física de partículas y la cosmología han llegado a la conclusión de que en el Big Bang se crearon idénticas cantidades de materia y antimateria que, solo unos breves instantes después, se aniquilaron casi totalmente entre sí. Algo sucedió, sin embargo, justo antes de la Gran Aniquilación para que se generara un ligerísimo excedente de partículas sobre antipartículas, el cual bastó para que el universo material pudiese tomar forma y llegar a existir tal como lo conocemos. En efecto, de las observaciones se deduce que por cada protón primordial –originado en el Big Bang– que sobrevivió, miles de millones sucumbieron a la extinción, junto a la misma cantidad de antiprotones primordiales.
Aniquilación de un átomo de antihidrógeno observada por el detector ATHENA en 2002. / CERN
Sin embargo, no es posible descartar que haya sobrevivido una pequeñísima cantidad de antimateria primordial en nuestro universo observable, quizás un antiprotón por cada decena de millones de protones. En este caso no es impensable que pudieran existir estrellas e incluso galaxias pequeñas de antimateria, como predicen algunos modelos teóricos propuestos por varios grupos de investigación, siempre que estas estuviesen suficientemente aisladas de la materia –y lo cierto es que en el universo hay regiones extremadamente vacías–. De confirmarse esta circunstancia tampoco sería inimaginable que orbitando dichas antiestrellas existieran antiplanetas habitados por seres vivos e incluso civilizaciones tecnológicas, compuestos todos ellos por antimateria.
¿Qué es la antimateria?
Para comprender mejor las consecuencias de esta posibilidad, hay que entender qué es la antimateria. En un sentido amplio, la antimateria puede considerarse como el reverso de la materia o como una imagen especular de la misma respecto a varios ‘espejos’. Como sabemos por experiencia propia, cuando nos miramos en un espejo el rostro que vemos no es nuestro rostro sino que tiene intercambiados los lados derecho e izquierdo. Del mismo modo, las partículas de antimateria tienen sus propiedades opuestas respecto a las de las partículas de materia. Esto se refiere solo a aquellas propiedades que admiten valores opuestos, ya que las propiedades que no admiten valores opuestos son idénticas para las partículas y sus antipartículas. Por ejemplo, el electrón y su antipartícula, el positrón, con la misma masa y el mismo espín, tienen valores opuestos de la carga eléctrica, la carga débil y la carga leptónica.
Todas las partículas elementales tienen su antipartícula, aunque hay partículas que son sus propias antipartículas. Es el caso del fotón –la partícula de luz– o del bosón de Higgs. Se da la curiosa circunstancia de que la única antipartícula con nombre propio es el positrón –“electrón positivo”–, así denominado por Carl Anderson tras descubrirlo en 1932. Las demás antipartículas se denominan como las partículas ordinarias pero anteponiendo el prefijo anti.
Al igual que las partículas, las antipartículas pueden dar lugar a estructuras más complejas, como átomos de antimateria, que están constituidos por las antipartículas de los átomos de materia. En su núcleo, en lugar de protones (de carga eléctrica +1) y neutrones, compuestos todos ellos por quarks, hay antiprotones (de carga eléctrica -1) y antineutrones, compuestos por antiquarks –los quarks y sus antiquarks tienen valores opuestos de la carga fuerte, la carga débil, la carga eléctrica y la carga bariónica–. Orbitando alrededor del núcleo, en lugar de electrones (de carga eléctrica -1), encontramos positrones (de carga eléctrica +1).
A la izquierda, un átomo de helio. A la derecha, uno de antihelio.
Antimateria primordial y antimateria secundaria
Estamos conviviendo constantemente con la antimateria y con los productos de su aniquilación con la materia. Por una parte, una lluvia incesante de partículas de materia y de antimateria, producidas por las colisiones de los rayos cósmicos con los átomos de nuestra atmósfera, cae sobre la superficie terrestre y nos alcanza. Es más, neutrinos y muones muy energéticos (y sus antipartículas) atraviesan casas y edificios.
Por otra parte, las mismas estrellas producen antimateria en grandes cantidades en sus hornos nucleares en forma de positrones. Y sucede que la aniquilación de estos con los electrones del plasma del interior produce parte de la luz y del calor que emiten. En el caso del Sol, aproximadamente un 10% de la luz visible que irradia proviene de tales aniquilaciones.
Además, algunas sustancias radiactivas naturales que abundan en compuestos orgánicos, como el Potasio-40, emiten positrones, los cuales se aniquilan de inmediato con los electrones de su entorno. Esto hace, por ejemplo, que un plátano mediano emita cada 24 horas 15 positrones, aproximadamente, provenientes de los núcleos radioactivos de los átomos de Potasio-40.
La inmensa mayoría de las partículas de antimateria con las que convivimos y que observamos es antimateria secundaria, pues se ha creado en colisiones entre partículas de materia ordinaria o en procesos astrofísicos conocidos muy energéticos, como las reacciones nucleares en el interior de las estrellas. Pero, como decíamos, cabe la posibilidad de que todavía haya en el universo partículas de antimateria primordiales.
El experimento AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), instalado en la Estación Espacial Internacional, se afana por encontrar indicios de tal posibilidad, escudriñando el espacio en busca de núcleos de antiátomos. Si encontrase un solo antinúcleo mayor que el de antihelio, como un núcleo de antilitio o antiberilio (con tres y cuatro antiprotones respectivamente), esto constituiría un gran acontecimiento, pues indicaría que la antimateria primordial no desapareció totalmente, ya que estos núcleos no se pueden producir en nuestro universo material, a diferencia del núcleo de antihelio. Pero si el experimento AMS encontrase un solo antinúcleo aún mayor, como un núcleo de antiboro o anticarbono (con cinco y seis antiprotones respectivamente),este hallazgo sería la prueba definitiva de la existencia de antiestrellas, pues estos antinúcleos solo podrían haberse generado en los hornos de las capas más profundas de estas.
Simulación del detector AMS2 montado en la Estación Espacial Internacional. / NASA-JSC
Civilizaciones extraterrestres de antimateria
Ahora dejemos volar nuestra imaginación y vayamos hacia el futuro, a una época en la que pudiéramos realizar viajes intergalácticos de forma eficiente; por ejemplo, a través de atajos espacio-temporales o por otras dimensiones. Supongamos que descubrimos una estrella de antimateria, porque emite antineutrinos en lugar de neutrinos, y que al acercarnos avistamos todo un sistema planetario con algunos planetas localizados en la zona de habitabilidad. Así que decidimos enviar señales que denoten su procedencia inteligente, y con este propósito elegimos unas secuencias de flashes de luz láser con los números impares: 1, 3, 5, 7, 9…
Si nos encontramos lo suficientemente cerca de estos antiplanetas, por ejemplo a tan solo dos horas luz de distancia, nuestras señales tardarán dos horas en llegar a su destino. Imaginemos entonces que, para nuestro asombro, unas seis horas después recibimos una respuesta inteligente, consistente en otras secuencias de flashes de luz láser, pero esta vez con los números pares: 2, 4, 6, 8…
¡Nuestras señales han sido interceptadas por seres inteligentes de una civilización tecnológica!, y nos envían acuse de recibo utilizando señales similares aunque no idénticas, para que no las confundamos con un eco de nuestras propias señales. Con gran entusiasmo, esta vez les enviamos un vídeo amistoso enseñándoles la Tierra y sus gentes, al que nos responden con otro vídeo amistoso enseñándonos su planeta e invitándonos a visitarlo, como se deduce de su lenguaje no verbal y sus gesticulaciones.
Obviamente, estos seres ignoran que nosotros somos de antimateria en relación a la materia de la que ellos y su mundo están constituidos. Pero nosotros sí sabemos que ellos lo son, en relación a la nuestra. Así que no podemos aceptar la invitación y hemos de restringir nuestro contacto al intercambio de ondas electromagnéticas exclusivamente. Nada de recepciones oficiales, ni de intercambios de obsequios: la aniquilación mutua estaría asegurada.
* Beatriz Gato Rivera es investigadora del CSIC en el Instituto de Física Fundamental y autora del libro Antimateria (Editorial CSIC-Los libros de la Catarata).
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