Investigando la materia con la antimateria

¿Qué es la antimateria?

Cuando hablamos de la antimateria, este tópico suena siempre a algo extraño relacionado con la ciencia ficción. Sin embargo, el concepto de antimateria es un tema apasionante; y desde la década del ‘30 hasta el presente se ha hecho uso de la antimateria con fines científicos y, recientemente, para aplicaciones de interés variado que exceden el ámbito de la investigación. El concepto de antimateria comenzó a desarrollarse en la comunidad científica dedicada al estudio de fenómenos físicos; en aquel momento se sabía que el átomo estaba formado por electrones, partículas con carga negativa que “orbitaban” alrededor de un núcleo constituido por protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas sin carga eléctrica). Se sabía además que la masa (“peso”) del átomo estaba concentrada en el núcleo y que era aproximadamente 2000 veces mayor que la de los electrones. Sin embargo, no se había podido describir con precisión utilizando las teorías existentes cómo se comportaban los electrones en el átomo. El problema radicaba en el hecho que las ecuaciones de la mecánica cuántica, que se usaban para describir los fenómenos subatómicos, se basaban en la mecánica clásica propuesta por Newtonen el siglo XVII. Hasta ese momento la mecánica newtoniana había posibilitado describir los mecanismos físicos que se producían en sistemas en los que las velocidades de los objetos en estudio eran mucho menores que la velocidad de la luz; para objetos que se mueven a velocidades del orden de esta como los electrones, fue necesario hacer uso de la teoría especial de la relatividad propuesta por Einstein a principios del siglo XX.

En 1928, el físico inglés Paul Dirac fue el primero en combinar la teoría de la relatividad con la mecánica cuántica, logrando formular una ecuación que describía con precisión el comportamiento del electrón. Al igual que una ecuación simple como x2 = 4 tiene dos soluciones, x = 2 y x = -2, la ecuación de Dirac predecía la existencia de una partícula con las mismas propiedades que el electrón, pero con carga positiva a la cual se la denominó antipartícula. Más aún, no sólo debía existir una antipartícula para el electrón sino, también, para el resto de partículas conocidas.

En 1932 se detectó experimentalmente el positrón como antipartícula del electrón confirmando las predicciones de Dirac. De la misma manera que las partículas ordinarias forman la materia que nos rodea, también sus correspondientes antipartículas podrían formar átomos de antimateria; por ejemplo, los positrones podrían “orbitar” alrededor de un núcleo formado por un antiprotón para formar antihidrógeno.

¿Para qué sirve la antimateria?

Una de las características esenciales de la antimateria es que cuando se encuentran una partícula con su antipartícula (por ejemplo, un electrón y un positrón) se produce una extraordinaria liberación de energía; este proceso se denomina aniquilación partícula-antipartícula. La cantidad de energía que se genera en el proceso de aniquilación es superior a la que se genera en cualquier otra reacción conocida en la física. Para que el lector se haga una idea, la aniquilación materia-antimateria es 2000 millones de veces más energética que la combustión de productos derivados del petróleo y 100 veces más que la fisión nuclear; por ejemplo, bastaría un gramo de antihidrógeno para producir más energía que la bomba de Hiroshima. Pero eso no significa que la antimateria sea una fuente de energía útil ya que primero hay que crearla; este proceso no es sencillo y es muy poco eficiente en términos energéticos ya que en general, la energía que se necesita para crear una partícula de antimateria es mucho mayor que la que se obtiene luego del proceso de aniquilación. Parece casi imposible que en el futuro vaya a existir, por ejemplo, un motor de antimateria como el que propulsa la nave espacial Enterprise de StarTrek.

Sin embargo, en el caso específico del positrón se lo utiliza para estudiar la materia aprovechando que existen elementos radioactivos que emiten positrones de manera natural. Básicamente, un positrón que entra en la materia puede explorarla y al aniquilarse con un electrón de la misma se emite radiación gamma de alta energía a través de la cual se puede obtener información precisa de la materia a escala de una millonésima parte de un milímetro; es decir, del orden de la escala atómica.

Por ejemplo, desde hace una veintena de años se hace uso intensivo de los positrones para producir imágenes de alta resolución como herramienta de diagnóstico en el campo de la medicina; específicamente, la técnica se denomina tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés). Esta técnica permite obtener imágenes del cuerpo humano en cortes usando como sustancia emisora de positrones al flúor-18 (18F). Este elemento radiactivo tiene una vida media corta, de unos 10 minutos, lo que significa que transcurrido ese tiempo la cantidad de sustancia radiactiva en el cuerpo se reduce a la mitad. El 18F se introduce en el paciente por vía intravenosa u oral y para obtener las imágenes PET se espera que el emisor de positrones se concentre en regiones del cuerpo que se desean estudiar. El PET consiste en sistemas de detección de la radiación gamma producto de la aniquilación electrón-positrón distribuidos a lo largo de un anillo de un diámetro de aproximadamente un metro. Los rayos gamma detectados se transforman en señales eléctricas que mediante un software adecuado se transforman en una imagen. Esta técnica novedosa de imágenes se utiliza principalmente para detectar regiones de alta actividad química. Cuando en una región específica del cuerpo se modifica la actividad metabólica —por ejemplo, en un tumor o regiones del cerebro con daño neuronal—, la concentración de sustancias químicas también cambia, y con ella la densidad de electrones. En tal caso, en estas zonas se producirán variaciones significativas del proceso de aniquilación electrón-positrón que serán detectadas en el tomógrafo PET con una capacidad de resolución mucho más sensible que otras técnicas de diagnóstico por imágenes.

En el Grupo Positrones “Prof. Alfredo Dupasquier” se hace uso de distintas variantes experimentales, conocidas como Espectroscopía de Aniquilación de Positrones, que permiten estudiar el proceso de aniquilación electrón-positrón para el estudio de materiales de interés tecnológico tales como aleaciones livianas, polímero, cerámicos, etc. La gran ventaja de esta técnica es que permite detectar defectos en los materiales que no son “visibles” a las de cualquier técnica convencional utilizada en el campo de la Física de Materiales.

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