Antimateria
La antimateria está formada por antipartículas con la misma masa que las partículas ordinarias pero carga opuesta, y al encontrarse con la materia ambas se aniquilan y liberan energía.
La antimateria es la contrapartida de la materia ordinaria: está formada por antipartículas, que tienen la misma masa que sus partículas gemelas pero carga eléctrica (y otros números cuánticos) de signo opuesto. Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se aniquilan y toda su masa se transforma en energía, según la célebre ecuación E = m·c².
¿Qué es la antimateria?
Toda partícula conocida tiene una antipartícula. El electrón tiene como pareja al positrón (carga +1e), el protón al antiprotón (carga −1e) y el neutrón al antineutrón, que, aunque es eléctricamente neutro, se distingue de su gemelo porque sus quarks son antiquarks. Un átomo de antihidrógeno está formado por un antiprotón y un positrón.
La palabra «antimateria» no debe confundirse con la materia oscura: son cosas distintas. La antimateria interactúa con la luz y se conoce bien en el laboratorio; la materia oscura, en cambio, no se ha detectado directamente.
Breve historia
- 1928: el físico británico Paul Dirac combina la mecánica cuántica con la relatividad especial y obtiene una ecuación que admite soluciones con energía negativa. Interpretadas correctamente, predicen una partícula con la masa del electrón y carga positiva.
- 1932: Carl Anderson detecta el positrón en los rayos cósmicos con una cámara de niebla.
- 1955: Emilio Segrè y Owen Chamberlain descubren el antiprotón en el Bevatrón de Berkeley.
- 1995–2002: el CERN produce los primeros átomos de antihidrógeno; en 2002 los experimentos ATHENA y ATRAP generan miles de ellos.
- 2010–2011: el experimento ALPHA logra atrapar antihidrógeno y mantenerlo confinado durante unos 1000 segundos.
Aniquilación y energía
Cuando materia y antimateria entran en contacto, su masa total se convierte en energía en forma de fotones u otras partículas. La energía liberada es:
donde m es la masa de antimateria (la de materia que la aniquila aporta la otra mitad) y c = 2,998 × 10⁸ m/s es la velocidad de la luz. La aniquilación de un electrón y un positrón en reposo produce normalmente dos fotones gamma de 511 keV cada uno, que salen en sentidos opuestos.
| Partícula | Antipartícula | Carga de la partícula |
|---|---|---|
| Electrón | Positrón | −1e |
| Protón | Antiprotón | +1e |
| Neutrón | Antineutrón | 0 |
| Quark up | Antiquark up | +2/3 e |
¿Cómo se produce?
En la naturaleza aparece en pequeñas cantidades: en ciertas desintegraciones radiactivas (la desintegración beta positiva), en los rayos cósmicos y durante tormentas, donde se han detectado positrones. En el laboratorio se fabrica en aceleradores de partículas: al hacer chocar partículas a gran energía, parte de esa energía se convierte en pares partícula-antipartícula. El Desacelerador de Antiprotones del CERN los frena y los almacena en trampas electromagnéticas, ya que no pueden tocar las paredes de ningún recipiente. Toda la antimateria producida hasta hoy suma apenas unos pocos nanogramos.
El enigma de la asimetría
Según las teorías actuales, el Big Bang debió producir materia y antimateria en cantidades casi iguales. Sin embargo, el universo observable está hecho prácticamente solo de materia. Esta asimetría bariónica es uno de los grandes problemas abiertos de la física moderna. Se sabe que existe una pequeña violación de la simetría CP (carga-paridad) en algunas desintegraciones, pero no basta para explicar la diferencia. El espectrómetro AMS-02, instalado en la Estación Espacial Internacional, busca antinúcleos en los rayos cósmicos como pista.
Aplicaciones
- Tomografía por emisión de positrones (PET): se inyecta un trazador radiactivo que emite positrones; al aniquilarse con electrones del cuerpo producen pares de fotones de 511 keV que permiten reconstruir una imagen del metabolismo, por ejemplo de tumores.
- Investigación básica: comparar el antihidrógeno con el hidrógeno permite comprobar si las leyes de la física son simétricas. En 2023, el experimento ALPHA-g mostró que el antihidrógeno cae hacia abajo, como la materia, bajo la gravedad.
- Propulsión espacial: es una idea teórica; hoy es inviable porque producir antimateria cuesta cantidades enormes de energía y el rendimiento es ínfimo.
Ejercicios resueltos
1. ¿Qué energía se libera cuando 1 mg de antimateria se aniquila con 1 mg de materia?
Masa total: m = 2 mg = 2 × 10⁻⁶ kg. E = m·c² = 2 × 10⁻⁶ kg × (2,998 × 10⁸ m/s)² ≈ 1,8 × 10¹¹ J. Resultado: ≈ 1,8 × 10¹¹ J (unos 50 000 kWh).
2. Calcula la energía de reposo de un electrón en MeV (m = 9,109 × 10⁻³¹ kg).
E = m·c² = 9,109 × 10⁻³¹ × (2,998 × 10⁸)² ≈ 8,19 × 10⁻¹⁴ J. Como 1 eV = 1,602 × 10⁻¹⁹ J, E ≈ 5,11 × 10⁵ eV. Resultado: 0,511 MeV, que es la energía de cada fotón gamma en la aniquilación electrón-positrón.
3. ¿Cuál es la carga total de un átomo de antihidrógeno?
Antiprotón (−1e) + positrón (+1e) = 0. Resultado: carga neta nula, como el hidrógeno.
Preguntas frecuentes
¿Es peligrosa la antimateria?
En las cantidades que se producen hoy, no. Toda la antimateria fabricada en el CERN liberaría, al aniquilarse, una energía ínfima, muy lejos de suponer un riesgo.
¿La antimateria cae hacia arriba?
No. Los experimentos del CERN con antihidrógeno (ALPHA-g, 2023) confirman que cae hacia abajo, igual que la materia, aunque se siguen buscando diferencias muy pequeñas.
¿Hay antimateria en el cuerpo humano?
Sí, en cantidades mínimas: el potasio-40 de nuestro organismo emite unos cientos de positrones por hora, que se aniquilan de inmediato con electrones.
¿Por qué no hay galaxias de antimateria?
No se observa radiación de aniquilación en las fronteras entre regiones, lo que descarta grandes zonas de antimateria. Por qué la materia ganó ventaja sigue sin explicarse.
¿Se puede usar como combustible?
En teoría sí, por su altísima densidad energética, pero fabricarla gasta muchísima más energía de la que se recupera, así que hoy no es práctico.
Referencias
- Tipler, P. A. y Llewellyn, R. A. Física moderna. Reverté.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
- Dirac, P. A. M. «The Quantum Theory of the Electron», Proceedings of the Royal Society A, 1928.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2023). «Antimateria». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/antimateria/
