Los físicos de las partículas han ganado la batalla por conseguir la jerga más peculiar, si bien divertida, de todas las ciencias físicas. ¿Dónde más podríamos encontrar un bosón vector neutro intercambiado entre un muón negativo y un neutrino muón? ¿O un intercambio de gluones que uniese un quark extraño y un quark encantado? ¿Y dónde, si no, podríamos encontrar squarks, fotinos y gravitinos? Junto a esas partículas al parecer incontables con nombres raros, los físicos de las partículas han de enfrentarse a un universo paralelo de antipartículas, conocidas en su conjunto como «antimateria». Pese a su continua presencia en los relatos de ciencia ficción, la antimateria es real. Y, como cabe suponer, tras el contacto con la materia corriente, tiende a destruirse.
El universo deja ver un curioso romance entre las antipartículas y las partículas. Pueden nacer juntas a partir de energía pura, y aniquilarse al reconvertir su masa combinada de nuevo en energía. En 1932, el físico norteamericano Carl David Anderson descubrió el antielectrón, el equivalente de antimateria, con carga positiva, del electrón, con carga negativa. Desde entonces, los físicos de partículas han fabricado rutinariamente antipartículas de toda clase en los aceleradores, pero hasta hace poco no han ensamblado antipartículas en átomos enteros. Desde 1996, un grupo internacional dirigido por Walter Oelert, del Instituto de Investigación en Física Nuclear de Jülich, Alemania, ha creado átomos de antihidrógeno, en el que un antielectrón gira alegre alrededor de un antiprotón. Para obtener estos primeros antiátomos, los físicos se valieron del enorme acelerador de partículas operado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (mejor conocida por su acrónimo francés, CERN), ubicado en Ginebra, Suiza, donde se han producido numerosas e importantes contribuciones a la física de las partículas.
Los físicos utilizan un método de creación simple: cogen un grupo de antielectrones y otro de antiprotones, los juntan a una temperatura y una densidad adecuadas, y aguardan a que se combinen y formen átomos. Durante su primera tanda de experimentos, el equipo de Oelert generó nueve átomos de antihidrógeno. Sin embargo, en un mundo dominado por la materia corriente, la vida como átomo de antimateria es precaria. Los átomos de antihidrógeno sobrevivieron menos de 40 nanosegundos (40 milmillonésimas de segundo) antes de destruirse con átomos comunes.
El descubrimiento del antielectrón fue uno de los grandes triunfos de la física teórica, pues su existencia había sido pronosticada solo unos años antes por el físico británico Paul A. M. Dirac.
Para describir la materia en las escalas de menor tamaño —las de las partículas atómicas y subatómicas—, en la década de 1920 los físicos crearon una nueva rama de la física para explicar los resultados de sus experimentos con esas partículas. Mediante reglas recién establecidas —conocidas en la actualidad como teoría cuántica—, partiendo de una segunda solución a su ecuación, Dirac postuló que un electrón fantasma del «otro lado» podía de vez en cuando aparecer de repente en el mundo como un electrón corriente, dejando un vacío o agujero en el mar de energías negativas. Aunque Dirac esperaba explicar los protones así, otros físicos sugirieron que ese agujero se revelaría a sí mismo experimentalmente como un antielectrón con carga positiva, que ha acabado recibiendo el nombre de «positrón» debido a esa carga eléctrica. La detección de positrones reales confirmó la percepción básica de Dirac y determinó que la antimateria era digna de tanto respeto como la materia.
Las ecuaciones con soluciones dobles no son raras. Un ejemplo de lo más simple responde a la pregunta de qué número multiplicado por sí mismo da igual a nueve. ¿Es 3 o –3? La respuesta es ambos, naturalmente, pues 3 x 3 = 9 y –3 x –3 = 9. Los físicos no pueden garantizar que todas las soluciones de una ecuación correspondan a sucesos del mundo real, pero si un modelo matemático de un fenómeno físico es correcto, manipular sus ecuaciones puede ser tan útil como manipular el universo entero (y algo más fácil). Como pasa con Dirac y la antimateria, estas medidas a menudo conducen a predicciones verificables. Si las predicciones resultan incorrectas, se descarta la teoría. No obstante, con independencia del resultado físico, un modelo matemático garantiza que las conclusiones que podamos extraer son a la vez lógicas e internamente coherentes.
Las partículas subatómicas poseen muchos rasgos mensurables, de los cuales la masa y la carga eléctrica se cuentan entre los más destacados. Excepto la masa, que es siempre la misma para la partícula y para su antipartícula, las propiedades específicas de cada tipo de antipartícula serán siempre exactamente opuestas a las de la partícula a la que coloca el prefijo anti-. Por ejemplo, el positrón tiene la misma masa que el electrón, pero el positrón tiene una unidad de carga positiva mientras que la unidad de carga del electrón es negativa. Del mismo modo, el antiprotón es la antipartícula de carga opuesta del protón.
Aunque parezca mentira, el neutrón sin carga tiene también una antipartícula, que recibe el nombre —como cabía imaginar— de «antineutrón». Un antineutrón tiene una carga nula opuesta con respecto al neutrón corriente. Esta magia aritmética deriva del particular terceto de partículas con carga fraccionaria (los quarks) que constituyen los neutrones. Los tres quarks que componen un neutrón tienen cargas de –1/3, –1/3 y +2/3, mientras que las del antineutrón son 1/3, 1/3 y –2/3. Cada conjunto de tres cargas de quark suma una carga neta cero aunque los correspondientes componentes tengan cargas opuestas.
La antimateria puede empezar a existir de la nada. Si los fotones de rayos gamma tienen una energía lo bastante alta, pueden transformarse en pares electrón-positrón, con lo que convierten toda esa energía en una pequeña cantidad de materia, en un proceso que satisface la famosa ecuación de Einstein E = mc2.
En el lenguaje de la interpretación original de Dirac, el fotón de rayos gamma expulsaba un electrón del ámbito de las energías negativas, lo que creaba un electrón corriente y un agujero de electrón. También puede darse el proceso inverso. Si una partícula y una antipartícula chocan, se destruirán rellenando el agujero y emitiendo rayos gamma. Los rayos gamma son la clase de radiación que debemos evitar.
Si conseguimos de alguna manera fabricar en casa un pegote de antipartículas, estamos en una situación delicada. El almacenamiento se convierte al punto en un problema, pues las antipartículas se destruirán con cualquier bolsa convencional o de la compra (sea de papel o de plástico) en la que decidamos guardarlas o transportarlas. Un mecanismo de almacenamiento más ingenioso supone atrapar las antipartículas cargadas en los confines de un campo magnético fuerte, donde son repelidas por «paredes» magnéticas invisibles aunque muy efectivas. Si incrustamos el campo magnético en un vacío, podemos hacer que las antipartículas estén a salvo de la destrucción con la materia normal. Este equivalente magnético de una botella será también la bolsa de elección cada vez que debamos manipular otros materiales hostiles a los recipientes, como los gases ardientes a 100 millones de grados implicados en experimentos (controlados) de fusión nuclear. El principal problema de almacenamiento se presenta después de que hayamos creado antiátomos enteros, pues estos, como los átomos, normalmente no rebotan en una pared magnética. Sería más atinado mantener los positrones y los antiprotones en botellas magnéticas separadas hasta poder juntarlos.
Generar antimateria requiere al menos tanta energía como podamos recuperar cuando aquella se destruye con materia para volver a ser energía. A menos que tuviéramos un tanque entero de combustible de antimateria antes del lanzamiento, un motor antimateria autogenerador absorbería lentamente energía de la nave espacial. Quizá las películas y la serie de televisión de Star Trek plasmaron ese hecho, pero, si no me falla la memoria, el capitán Kirk pedía continuamente «más potencia» a la propulsión materia-antimateria, y Scotty le contestaba siempre «los motores no responden».
Aunque los físicos esperan que los átomos de hidrógeno y antihidrógeno se comporten igual, todavía no han verificado esta predicción de manera experimental, sobre todo debido a la dificultad que les supone mantener vivos los átomos de antihidrógeno, más que por el hecho de que se aniquilen de inmediato con protones y electrones. Les gustaría confirmar que la conducta detallada de un positrón ligado a un antiprotón en un átomo de antihidrógeno obedece a todas las leyes de la teoría cuántica, y que la gravedad de un antiátomo se comporta exactamente como cabe esperar en los átomos corrientes. ¿Puede un antiátomo producir antigravedad (repelente) en vez de gravedad normal (atractiva)? Toda la teoría apunta a lo segundo, pero si lo primero resultara correcto, ofrecería nuevas y asombrosas percepciones de la naturaleza. En las escalas atómicas, la fuerza de la gravedad entre dos partículas cualesquiera es inconmensurablemente pequeña. Son las fuerzas electromagnéticas y nucleares las que dominan la conducta de estas partículas minúsculas al ser ambas muy superiores a la gravedad. Para evaluar la antigravedad, necesitaríamos suficientes antiátomos para fabricar objetos de tamaño corriente y poder así medir sus propiedades generales y compararlas con la materia corriente. Si las bolas de billar (y, por supuesto, la mesa y los tacos) estuvieran hechas de antimateria, ¿podríamos distinguir una partida de antipool de una partida de pool? ¿Caería una bola antiocho en el agujero del rincón exactamente igual que una bola ocho normal? ¿Girarían los antiplanetas alrededor de una antiestrella igual como giran los planetas normales alrededor de las estrellas normales?
Desde el punto de vista filosófico es sensato, y concuerda con todas las predicciones de la física moderna, suponer que las propiedades generales de la antimateria resultarán idénticas a las de la materia corriente —gravedad normal, choques normales, luz normal, etcétera—. Por desgracia, esto significa que si una antigalaxia se dirigiese hacia nosotros, a un choque con la Vía Láctea, sería indistinguible de una galaxia corriente hasta que fuera demasiado tarde para hacer nada al respecto. Sin embargo, este fatídico destino no puede ser común actualmente en el universo porque si, por ejemplo, una antiestrella individual se destruyese con una estrella corriente individual, la transformación de su materia y antimateria en energía de rayos gamma sería rápida, violenta y total. Si dos estrellas con una masa parecida a la del Sol (cada una con 1057 partículas) fueran a chocar con nuestra galaxia, su fusión produciría un objeto tan luminoso que temporalmente produciría más energía que todas las estrellas de cien millones de galaxias y nos dejaría definitivamente fritos. No tenemos pruebas convincentes de que un episodio así haya llegado a ocurrir en algún lugar del universo. Así pues, por lo que sabemos, el universo está dominado por la materia corriente, y así ha sido desde los primeros minutos posteriores al Big Bang. Por tanto, la destrucción total mediante colisiones de materia y antimateria no tiene por qué figurar entre nuestras principales preocupaciones relativas a la seguridad del próximo viaje intergaláctico.
Con todo, actualmente el universo parece inquietantemente desequilibrado. Esperamos que las partículas y las antipartículas existan en igual número, pero nos encontramos con un cosmos dominado por las partículas corrientes, que parecen la mar de felices sin sus antipartículas. ¿El desequilibrio se explica mediante ciertas bolsas ocultas de antimateria en el universo? Durante el universo temprano, ¿se violó alguna ley de la física (o regía alguna ley física desconocida), lo cual decantó para siempre el equilibrio a favor de la materia con respecto a la antimateria? Tal vez no conozcamos nunca las respuestas a estas preguntas, pero de momento, si en nuestro jardín aparece un alienígena que extiende un apéndice como gesto de saludo, mejor tirarle la bola ocho antes de hacernos demasiado amigos. Si el apéndice y la bola explotan, seguramente el extraterrestre constaba de antimateria. (No vamos a entretenernos aquí en cómo él y los suyos reaccionarán ante este resultado ni en lo que la explosión nos hará a nosotros.) Y si no sucede nada adverso, podemos proceder tranquilamente a conducir al nuevo amigo ante el jefe.