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un ser de su tiempo y de su cultura

Para el hombre de la calle la idea de antimateria es esotérica, enigmática, posiblemente oscura e incomprensible. Forma parte de su cultura, cultura mal formada o desinformada; cultura al fin. La palabra es parte de su vocabulario, pero no de su comprensión. Esta y otras ideas de la ciencia moderna han sido implantadas en el léxico del lego por las historias de ciencia ficción, las series de televisión, y ocasionalmente por la prensa y la radio; de manera muy aislada por los hacedores y practicadores de la ciencia. Tal es la cultura de los medios de comunicación masiva. Son muy pocos los que tienen una idea fiel de lo que antimateria significa. Son muy pocos también los que poseen alguna noción, aunque sea muy vaga, de las teorías que la sustentan y que le dieron origen, a pesar de que estas ultimas forman parte de la cultura universal de nuestro tiempo. En nuestra época, todo ser humano, en principio, debería tener alguna noción de las grandes ideas de su tiempo, ya pretérito, ya actual; todo ser humano que se ostente de ser un ser de su tiempo y de su cultura.


antimateria

La Antimateria es materia compuesta de antipartículas de las partículas que constituyen la materia normal. Un átomo de antihidrógeno, por ejemplo, está compuesto de un antiprotón de carga negativa orbitado por un positrón de carga positiva. Si una pareja partícula / antipartícula entra en contacto entre sí, se aniquilan entre sí y producen un estallido de energía, que puede manifestarse en forma de otras partículas, antipartículas o radiación electromagnética.

En 1995 se consiguió producir átomos de antihidrógeno, así como núcleos de antideuterio, creados a partir de un antiprotón y un antineutrón, pero no se ha logrado crear antimateria de mayor complejidad. La antimateria se crea en el universo allí donde haya colisiones entre partículas de alta energía, como en el centro de la galaxia, pero aún no se ha detectado ningún tipo de antimateria como residuo del Big Bang (cosa que sí ocurre con la materia normal. La desigual distribución entre la materia y la antimateria en el universo ha sido, durante mucho tiempo, un misterio. La solución más probable reside en cierta asimetría en las propiedades de los mesones-B y sus antipartículas, los anti-mesones-B [1].

Los positrones y los antiprotones se pueden almacenar en un dispositivo denominado "trampa", que usa una combinación de campos magnéticos y eléctricos para retener las partículas cerca del centro de un vacío. Para la creación de trampas que retengan átomos completos de antihidrógeno hace falta emplear campos magnéticos muy intensos, así como temperaturas muy bajas; las primeras de estas trampas fueron desarrollados por los proyectos ATRAP y ATHENA.

El símbolo que se usa para describir una antipartícula es el mismo símbolo para su contrapartida normal, pero con un sobre rayado. Por ejemplo, un protón por encima:

Las reacciones entre materia y antimateria tienen aplicaciones prácticas en la medicina, Ej. la tomografía de emisión de positrones (PET).


la antimateria como combustible


En las colisiones entre materia y antimateria, se convierte toda la masa posible de las partículas en energía. Esta cantidad es mucho mayor que la energía química o incluso la nuclear que puede obtenerse hoy día usando reacciones química o fisión nuclear. La reacción de 1 Kg de antimateria con 1 Kg de materia produciría 1.8×1017 J de energía (según la ecuación E=mc²). En contraste, quemar un kilogramo de petróleo produce 4.2×107 J, y la fusión nuclear de un kilogramo de hidrógeno produce 2.6×1015 J.

1995. En los Álamos se mide la masa del electrón neutrino. En el CERN se fabrica el primer antiátomo de Hidrógeno.

La escasez de antimateria significa que no existe una disponibilidad inmediata para ser usada como combustible. Generar un solo antiprotón es inmensamente difícil y requiere aceleradores de partículas, así como vastas cantidades de energía (mucho más de lo que se genera cuando este antiprotón se aniquila), debido a la ineficiencia del proceso. Los métodos conocidos para producir antimateria también producen una cantidad igual de materia normal, de forma que el límite teórico del proceso es que la mitad de la energía suministrada se convierte en antimateria. Inversamente, cuando la antimateria se aniquila con la materia ordinaria, la energía emitida es el doble de la masa de antimateria, de forma que el almacenamiento de energía en forma de antimateria podría ser (en teoría) de una eficiencia del 100%.

La producción de antimateria en al actualidad es muy limitada, si bien aumenta en progresión geométrica desde el descubrimiento el primer antiprotón en 1955. La tasa actual de producción de antimateria es entre 1 y 10 nanogramos por años, si bien se espera que se vea muy incrementada con las nuevas instalaciones del CERN y el Fermilab.

Con la tecnología actual se considera que se puede obtener antimateria al coste de 25.000 millones de dólares por gramo (más o menos 1000 veces el coste del combustible propulsor de la lanzadera espacial), pero sólo si se optimizan los parámetros de colisión y recogida (y siempre según los costes actuales de generación eléctrica). Los costes de la producción en masa de antimateria están linealmente relacionados con los costes de la electricidad, de forma que es poco probable que se desarrolle el uso de la propulsión usando reacciones puras de materia y antimateria sin la aparición de tecnologías como la fusión de átomos de deuterio.

Dado que la densidad de energía es infinitamente mayor que con otras formas de combustible, la ecuación de impulso por peso que se usa en astronáutica sería muy distinta. De hecho, la energía de unos pocos gramos de antimateria sería suficiente para transportar una nave pequeña a la luna. Se espera que la antimateria pueda usarse como combustible para los viajes interplanetarios o, quizá, viajes interestelares, pero también se teme que si la humanidad consigue semejante tecnología, pueda usarse para construir armas de antimateria.

El ejemplo de ficción más famoso de este tipo de fuente de energía es en la serie de ciencia-ficción, Star Trek, donde su usa la antimateria como fuente de energía común en las naves espaciales.


historia de la antimateria

Hasta 1928, en la física ni siquiera como concepto se había desarrollado la idea de antimateria y, mucho menos, la capacidad de producirla. Pero el estadio cambió cuando se empezaron a conocer los estudios del físico británico Paul Dirac.

En la práctica, todo comienza con los trabajos de Dirac que publicó en el año 1929, en una época que coincide con los tiempos que se descubrían los primeros secretos de la materia, se teorizaba sobre el comportamiento de las partículas que comportan la fuerza débil, y se profundizaban los estudios de los componentes de los átomos, especialmente en la teorización de lo que se llama fuerza fuerte. Fueron tiempo en que la audacia tuvo una preeminencia como rol intelectual dentro del mundo de la física, en el cual se plantearon conceptos como el de la mecánica ondulatoria, el principio de incertidumbre o, también, el descubrimiento del espín en los electrones. Se dice que fue una de las épocas más exotérica* de la física, en la cual hubo ejercitantes que concurrieron a simpáticas metáforas para hacer más accesibles sus teorías, como fue el caso del físico austriaco Erwin Schrödinger cuando apeló a la historia de los gatitos para exponer su principio de indeterminación, con el cual describía en síntesis que las partículas más pequeñas tienen un comportamiento que, dentro del razonamiento común, no es el mayormente aceptado por las personas.

La descripción anterior, implica ubicar el escenario en el cual Paul Dirac estaba inserto cuando planteó que donde había materia, también podía haber antimateria. Concretamente señaló, que si el átomo tenía partículas de carga negativas llamadas electrones, debía haber partículas que fueran «electrones antimateria», a los que se les llamó positrones y que debían tener la misma masa del electrón, pero de carga opuesta y que se aniquilarían al entrar en contacto, liberando energía. Este descubrimiento de Dirac fue tan revolucionario que lo hizo merecedor del premio Nobel en el año 1933.

El siguiente paso se dio en 1932, cuando Carl Anderson, del Instituto Tecnológico de California, en un trabajo de experimentación confirmó la teoría de Dirac al detectar la existencia de un positrón al hacer chocar rayos cósmicos. Pasaron dos décadas para dar otro salto y este vino en 1955, cuando un equipo de la Universidad de Berkeley formado por los físicos Emilio Segre, Owen Chamberlain (ambos ganadores del Nóbel de física de 1959), Clyde Weingand y Tom Ypsilantis lograron hallar el primer antiprotón, o sea, la primera partícula especular del protón que es la partícula de carga positiva del átomo. Un año después, con el uso de las mismas instalaciones, otro equipo, formado por Bruce Cork, Oreste Piccione, William Wenzel y Glen Lambertson ubicaron el primer antineutrón, el equivalente a la partícula de carga neutra de los átomos. La carrera por las tres antipartículas básicas - equivalentes a la neutra, la negativa y la positiva - estaba terminada. Otro paso lo dieron los soviéticos, que por el año 1965 contaban con el acelerador de partículas más poderoso de los existentes en esos momentos. En un trabajo encabezado por el físico León Lederma, los soviéticos lograron detectar la primera partícula compleja de antimateria, el antineutrino, formado por dos partículas básicas. Posteriormente, usándose el mismo acelerador se detectó el antihelio.

Con la inauguración, en 1978, de las instalaciones europeas del Centro de Investigación de Alta Energía (CERN) de Ginebra, y los avances tecnológicos que ello implicó, se pudo lograr crear antitritio y, en 1981, realizar el primer choque controlado entre materia y antimateria, con lo que comprobaron una hipótesis valiosa: la cantidad de energía liberada por el mismo choque era enorme, mil veces superior a la energía nuclear convencional. Pero para la receta para generar antiátomos faltaba un ingrediente que permitiera la combinación de antipartículas para poder producirlo, lo que precisamente faltaba era una fórmula para conseguirlo.

( El primer acelerador fue construido por Ernest Lawrence el cual consistía en acelerar las partículas mediante atracciones magnéticas, las cuales hacían que las partículas dieran vuelta en círculos, lo que motivó que se les denominase "ciclotrónicas" apareciendo así el acelerador llamado ciclotrón. Más tarde aparecieron los aceleradores lineales y el sincrotón que alcanzaban cada vez más altas energías. Luego se construyeron aceleradores como el "Fermilab" en honor a Enrico Fermi y el CERN que es el centro europeo de partículas. Los aceleradores lograban chocar partículas a elevadas energías descubriendo así otra como el mesón rho o el barión delta. )

La dificultad radicaba en la velocidad con que se producen las partículas de antimateria y sus violentas colisiones. Era necesario contar con una fórmula que permitiera desacelerarlas o igualar su velocidad para unirlas, interrogante que fue respondida, en parte, por los trabajos del profesor de física de la Universidad de Stanford Stan Brodsky y por el ingeniero físico chileno Iván Schmidt, de la Universidad Técnica Federico Santa María.


En 1992, Brodsky y Schmidt publicaron sus trabajos de complejos cálculos en los cuales sugerían la fórmula de un método para producir antiátomos, o sea, como poder unir antielectrones y antiprotones. Pero también se requería capacidad de experimentación. A ellos llegó Charles Munger, quién formó su propio equipo en Chicago para realizar los experimentos. Pero las publicaciones norteamericanas-chilenas también llamaron la atención de físicos europeos del CERN donde se formó un equipo multinacional encabezado por Walter Oelert con el objetivo de experimentar en la creación de un antiátomo. En la práctica, con ello, se dio una competencia científico-mundial para alcanzar este logro.

El 4 de enero de 1996, los científicos del CERN anunciaron el éxito de haber obtenido en un proceso de experimentación, no uno, sino nueve antiátomos de hidrógeno. No se trata de partículas fundamentales o de pequeñas combinaciones, se trata - en propiedad - de lo que se puede mencionar como átomos de antihidrógeno.

El método propuesto por la pareja Brodsky y Schmidt consistió, básicamente, en hacer chocar un haz de antiprotones con un gas y, en cuyo proceso, se producirían pares de electrón-positrón; luego, de esos positrones, una pequeña fracción viajaría casi a la misma velocidad de los antiprotones, lo que implicaría que los positrones sean capturados por un antiprotón, lo que haría que ambas antipartículas se combinaran para formar un antiátomo.

Los antiprotones rompen los núcleos del xenón y crean algunos pares de electrón y positrón(2). Una fracción de estos pares es capturada por los antiprotones, alrededor de los cuales pasan a orbitar; se crean átomos de anti-hidrógeno(3). Como estos átomos son eléctricamente neutros, el campo magnético del acelerador no los desvía y continúan una trayectoria recta que los lleva a atravesar a gran velocidad una fina barrera de silicio(4). Mientras que el antiprotón continúa su camino, el positrón choca contra el electrón(6) con lo que ambas partículas se aniquilan.

Ahora, el experimento que hizo el CERN consistió en la elección del hidrógeno como elemento de trabajo porque es el más simple y abundante de todos los que conforman el universo. Con apenas dos componentes - uno positivo y otro negativo - era lo más sencillo. El acelerador LEAR, con el cual se realizó el experimento, disparó un chorro de antiprotones a través de una fina nube de gas xenón. Los antiprotones rompieron los núcleos del xenón y crearon algunos pares de electro-positrón. Una fracción de estos pares fue capturada por los antiprotones, lo que implicó que empezaran a orbitar alrededor de ellos; entonces se crearon antiátomos de hidrógeno. Como estos antiátomos son neutros, el campo magnético del acelerador no los desvía y continuarán una trayectoria recta que los lleva a atravesar a gran velocidad una barrera de silicio. Mientras tanto el antiprotón continúa su camino, el positrón choca contra el electrón aniquilándose ambos. El resultado es una emisión de rayos gamma que choca contra la barrera de silicio y delata lo que ocurrió.

Uno de los problemas interesantes para desarrollar el proceso fue el de poder establecer como poder atrapar la antimateria. Una de las dificultades era la de evitar que la antimateria explotara al tomar contacto con la materia. La solución a la cual se llegó, en los trabajos realizados por el CERN, fue la de usar un envase diseñado por el Laboratorio Nacional de Los Álamos de EE.UU.. Este tipo de envase consiste en mantener a la partícula de antimateria en forma estable por medio de campos eléctricos y magnéticos. Un ciclotrón puede frenar a un antiprotón de modo que pueda ser capturado, detenido y paralizado con campos magnéticos. Una vez quieto, el antiprotón es introducido en un envase que comporta un vacío interior para evitar choques con átomos de aire y el magnetismo impide que el antiprotón toque sus paredes, detonando una explosión de rayos gamma.

En el proceso se detectaron once choques contra la barrera, de éstos, nueve son considerados indudablemente causados por la aparición de antiátomos de hidrógeno; sobre los otros dos hay dudas. El antiátomo de hidrógeno producido, sólo dura 10 segundo antes de encontrar materia a su paso y desaparecer y, fue por eso, que Brodsky y Schmidt propusieron en sus trabajos la creación de un campo magnético para poder detectar los antiátomos en medio de todas las partículas que se generan en el proceso. Las partículas - que tienen cargas positivas o negativas - comportarán una órbita curva, pero el antiátomo (cuya carga total es neutra) no será afectado por el campo magnético y saldrá en línea recta.

El antihidrógeno es el estado más simple del límite atómico de la antimateria y, hasta el anuncio efectuado por el CERN en enero de 1996, nunca antes se había observado experimentalmente. Se logró sintetizar un átomo de antimateria desde sus antipartículas comitentes.

El átomo de hidrógeno ha sido uno de los sistemas físicos más importantes para una variedad amplia de medidas fundamentales relativas al comportamiento de la materia ordinaria. La producción de antihidrógeno abre las puertas para una investigación sistemática de las propiedades de la antimateria y la posibilidad única de comprobar principios físicos fundamentales.


celestia

En la cosmología podemos prever que a futuro se podrán contar con tecnologías que permitan investigar con más y mejor precisión la estructura del universo y, por ende, las características y fuentes de emisión de antimateria en él. Para ello en particular, la NASA ha desarrollado un proyecto para instalar en la estación espacial Alpha, en el año 2002, un detector de antipartículas que se la ha denominado Espectrómetro Alfa Magnético (AMS). El instrumento está diseñado para detectar antimateria atómica (hasta ahora solamente se han observado antipartículas) entre las partículas de los rayos cósmicos, que a la velocidad de la luz bombardean intensamente la Tierra. La mayor parte de ellas provienen del Sol y también de remanentes de estrellas que han explosionado en nuestra galaxia, pero la detección de las más energéticas se ha conseguido en lugares ubicados próximos al centro de la Vía Láctea y de fuentes lejanas de ésta. En consecuencia, serán estos últimas los blancos focalizado para ejecutar los procesos de detección de antimateria atómica espacial.

Pero no sólo para el campo de la investigación en física la producción de antimateria tiene ribetes de excepción, si no que también en otros campos de la ciencia podría tener aplicaciones inmensas como el aerospacial, o como ya se ha demostrado en la medicina, etc...Podemos soñar con energía ilimitada y barata; motores para naves interestelares que podrían desarrollar velocidades a más de un tercio la de la luz; mayor intensidad en la exploración del espacio y, por supuesto, muchas otras cosas más que, por ahora, podrían no ser consideradas pura ciencia-ficción.

Al momento de escribirse estas líneas, solamente se han desarrollado en laboratorio diecinueve antiátomos de hidrógeno y el equipo de norteamericanos encabezados por Charles Munger proyecta a futuro, lograr unos cien. Lo anterior, no significa que se podrá contar en el corto plazo con reactores de materia-antimateria, o que pronto se podrán unir antiátomos para crear antimoléculas y, luego, anticosas. Por ahora, es mejor considerarlo como ficción. Consideremos que para poder contar con un supercombustible de antimateria para viajes espaciales, hay todavía que pasar una multiplicidad de obstáculos. El primero es encontrar un método para crear antiátomos en reposo, en vez de alta velocidades, para que no desaparezcan al chocar con la materia. Luego, habría que producir 1020 de estos, por lo menos. Lograrlo, no es imposible, pero por ahora debe ser considerado a un largo plazo. En cuanto a las "anticosas", es mejor adherirse a la idea de que nunca se puedan concretar. Se escogió hacer un antiátomo de hidrógeno porque este es el más simple de todos. Pero para producir moléculas de antiátomos, sería necesario crear antiátomos más complejos, y luego unirlos, lo que teóricamente es factible, pero de ahí a la práctica es casi invisualizable.


materia              wagensberg / amazonia

En el conjunto de todo lo que es, una particula ínfima se revuelve contra el resto...y es materia viva. En el conjunto de todo lo que vive, una parte minúscula se despierta..y es materia inteligente.



El átomo de hidrógeno ha sido uno de los sistemas físicos más importantes para una variedad amplia de medidas fundamentales relativas al comportamiento de la materia ordinaria. La producción de antihidrógeno abre las puertas para una investigación sistemática de las propiedades de la antimateria y la posibilidad única de comprobar principios físicos fundamentales.

hidrógeno wikipedia


función negativa

La función de onda de la ecuación de Dirac presentaba 4 componentes, en vez de una como la ecuación de Schrödinger; una función de dos componentes era perfectamente aceptable y comprensible, cada una de las componentes se refería a un estado posible del espín del electrón, pero cuatro componentes exigía ir al límite de la imaginación de los físicos. Al principio no fue entendido el significado de la función de onda con cuatro componentes. Sin embargo, Dirac logro darle un interpretación satisfactoria. Las primeras dos se referían a los dos posibles estados del electrón con energía positiva, y las otras dos a los mismos estados posibles pero con energía negativa. Los estados de energía negativa se antojaban inadmisibles. Por primera vez los físicos se preocuparon por entender el significado de estados físicos con energía negativa. Por supuesto, esta no era la primera vez que los físicos se topaban con el problema de la energía negativa; en la teoría especial de la relatividad aparecen cuando escribimos la energía como la raíz cuadrada de la suma de el producto del momento por la velocidad de la luz al cuadrado y el producto de la masa por la velocidad de la luz al cuadrado al cuadrado.

En la teoría cuántica aparecen estados de energía negativa porque usamos la expresión descrita anteriormente para escribir la energía. Aparecen en la teoría de Klein & Gordon y en la teoría de Dirac. En la teoría de la relatividad no nos preocuparon mucho los estados con energía negativa; tales estados no se observan. Si una partícula posee energía positiva permanecerá ahí sin oportunidad de pasar a estados con energía negativa, al menos si nos restringimos a la visión clásica. Los niveles de energía para una partícula, según la teoría de la relatividad, consiste de todos los estados desde la energía que le corresponde a su masa en reposo hasta el infinito; y además de todos los estados desde la energía que le corresponde a menos su masa es reposo hasta el menos infinito. Según la visión clásica, si una partícula tiene energía positiva no puede transitar a estados de energía negativa y viceversa. Sin embargo esta situación no se tiene en mecánica cuántica, donde es posible brincar desde estados de energía positiva a estados de

energía negativa sin pasar por los estados intermedios. Si empezamos con una partícula en los estados con energía positiva, esta puede pasar a los estados con energía negativa. Luego el problema de los estados de energía negativa fue el problema más grave de la teoría de Dirac. La solución de este problema condujo al concepto de antimateria.


materia y antimateria

El rastro electromagnético que deja la antimateria es igual al rastro que deja la materia. Estudiando solamente sus espectros electromagnéticos no podríamos decir cual es materia y cual es antimateria, hasta hacerlos que se junten; si explotan, es antimateria, si no lo hacen es materia. Esto da pie a la especulación de la existencia de estrellas y galaxias formadas de antimateria. Incluso la especulación sobre la existencia de universos formados enteramente de antimateria. No lo sabremos nunca, a no ser que se descubra un método para distinguir la materia de la antimateria sin necesidad de ponerlas en contacto.

Por último, nuestro universo esta formado básicamente de materia, esta asimetría es un misterio. En un misterio desde el punto de vista de la teoría de antimateria que hemos explicado. Tal teoría sabemos que funciona; sin embargo nada asegura que sea completa. Siguiendo con su lógica: ¿Donde quedo la antimateria que debería estar en nuestro mundo? La antimateria solo la conocemos por las trazas que deja en una cámara u otro medio para detectarse. Esta se crea en los laboratorios, en las estrellas, en las desintegraciones nucleares, pero es una ínfima cantidad comparada con la cantidad de materia que observamos. Y su vida es efímera. ¿Por que nuestro universo esta formado por una sola clase de materia a la que llamamos simplemente materia? Quizá estemos lejos de descubrir este enigmático misterio. Porque es mucho lo que ignoramos sobre nuestro universo. Los científicos, en particular los físicos, se entregan a estas hermosas investigaciones.


partícula x               julián félix valdez / instituto de física / universidad de guanajuato

Por los conocimientos experimentales que hemos adquirido hasta ahora, sobre la formación de antimateria en laboratorios y por el hallazgo de la existencia de positrones, no es arriesgado pensar en antimateria atómica deambulando por el espacio como fósiles ocasionados por los primeros segundos del Big Bang o como producto de la propia dinámica del universo.

En teoría, en el momento del Big Bang, debiera haber habido igual cantidad de materia que de antimateria. Ahora, por qué esta última se fue extinguiendo, las razones de ello las podemos encontrar en la explicación que nos entregó, en el año 1967, el físico Andrei Sakharoc. Según él, ese proceso de extinción se debería a una pequeña asimetría en las leyes de la física, conocida como violación CP.

Esa asimetría que formula Sakharoc, debería haber comenzado a intervenir en el primer segundo del Big Bang. En ese instante, y de acuerdo a la Teoría Unificada de la Física, todas las fuerzas que ahora se conocen en la naturaleza estaban fundidas en una sola, exteriorizadas en la llamada partícula X. Más tarde, cuando el universo se enfrió y estas partículas decayeron, la asimetría habría dejado una pequeña y mayor proporción de partículas en relación a las antipartículas.

Específicamente, mil millones más una partícula, por cada mil millones de antipartículas.

En función a lo inmediatamente anterior, la mayoría de los físicos piensan, por lo tanto, de que tanto partículas como antipartículas en un instante se habrían mezclado, y como ambas se aniquilan en una bocanada de rayos gama, el resultado final sería que el universo actual no estaría conformado por antimateria. Por lo menos, la brillantez del trasfondo de radiación que lo llena, cerca de mil millones de fotones por cada partícula de materia, indicaría que ello es así, efectivamente. Puede que esta sea una explicación convencional, pero comparto la opinión de Stephen Hawking y de otros científicos en cuanto a que pensar experimentalmente en la posibilidad de la existencia de galaxias y antigalaxias o, más aún, de universo y de antiuniverso es, de alguna manera, una contradicción con las leyes de la física.

Lo anterior, no significa desterrar las posibilidades de que en algún momento la asimetría de las leyes de la física de las cuales hemos hablado podría haber sido revertida en ciertas regiones de la bola de fuego del Big Bang, favoreciendo la creación de antimateria sobre la materia. Eso abriría la posibilidad de que en alguna parte del espacio pueda haber sobrevivido antimateria, formando incluso, antigalaxias. Ello se sostiene en algunos modelos teóricos que se han desarrollado, pero se opone la experiencia experimental de laboratorio, lo que lo hace aparecer poco verosímil por ahora.

La primera prioridad para la física en esta cuestión se encuentra en poder entender y distinguir cuales son las leyes que gobiernan la antimateria.

Según la relatividad general, la antimateria tiene que comportarse básicamente como la materia, y esto si que abre una tremenda interrogante.

Si el comportamiento es asímil y la antimateria esta presente fuera de los laboratorios, entonces que pasa con el efecto gravitatorio sobre ella. A lo mejor, ha empezado un ciclo de la física en que se podría llegar a cuestionar hasta sus leyes fundamentales. El mayor conocimiento que se está adquiriendo sobre la antimateria, promete revelar muchas interrogantes acerca del comienzo del universo. Después del Big Bang, existió tanta antimateria como materia, pero por lo que hasta ahora hemos deducido, sólo esta última fue capaz de sobrevivir los propios procesos evolutivos del universo, ya que la que hemos detectado en el espacio correspondería a una nueva generación.

¿Por qué la antimateria estuvo y está condenada al ocaso? ¿Cómo fue que el universo no colapso fracciones de segundo después de que comenzó, si sabemos en laboratorio que la antimateria y la materia se anulan con sólo topars?- Estos, entre muchos otros, son algunos de los misterios que afloran con mayor intensidad al tenerse la certeza de que en experimentación de laboratorio se visualiza el antiátomo.

De una cosa los humanos, por ahora, podemos estar seguros: solamente hemos podido detectar en el universo, precisamente cerca del centro de nuestra galaxia, antimateria particulada. En la Tierra, no hay fuente alguna de antimateria, y la exploración astronómica del sistema solar, incluyendo el astro central, tampoco la ha encontrado en ninguna parte. Los electrones y protones que nos llegan del Sol, atravesando la atmósfera terrestre, son partículas de la materia ordinaria.

Tampoco es probable que los campos siderales -estrellas y materia interestelar- escondan antimateria; si no fuera así, estaríamos percibiendo regularmente, y en todas las direcciones de la galaxia, intensas radiaciones gamma, muy superiores a las detectadas en los aniquilamientos de positrones (antimateria particulada) que se han podido registrar, generada de la aniquilación de los antiátomos que cohabitaran allí, producto de sus colisiones con la materia ordinaria. Y tal cosa no ha sucedido, lo que debería ser inevitable si se considera que la materia se está constantemente intercambiando entre las estrellas. En cambio, ignoramos si remotas regiones extragalácticas dan o no dan albergue a la antimateria.

Hemos detectado grandes radiaciones de rayos gamma, cuya procedencia, posiblemente, sea de explosiones ocurridas en galaxias lejanas, pero no tenemos certeza alguna de qué las causó o si allí se hubiesen producido aniquilamientos de antiátomos. ¿Somos moradores de un cosmos asimétrico, formado únicamente de la materia que nos es familiar, o al contrario, habitantes de un universo simétrico que incluye a la vez galaxias, unas de materia y otras de antimateria, como lo sugieren los físicos suecos H.Alfvén y O. Klein?. Al nivel que nos encontramos en el desarrollo de nuestros conocimientos, que aún está muy lejano para entender muchas cuestiones relacionadas con propiedades fundamentales de la composición de la materia, contestar afirmativa o negativamente la pregunta equivaldría, en ambos casos, a vestirse, por ahora, con una gran audacia intelectual.

espectrómetro alfa magnético (ams )

la NASA ha desarrollado un proyecto para instalar en la estación espacial Alpha, en el año 2002, un detector de antipartículas que se la ha denominado Espectrómetro Alfa Magnético (AMS). El instrumento está diseñado para detectar antimateria atómica (hasta ahora solamente se han observado antipartículas) entre las partículas de los rayos cósmicos, que a la velocidad de la luz bombardean intensamente la Tierra. La mayor parte de ellas provienen del Sol y también de remanentes de estrellas que han explosionado en nuestra galaxia, pero la detección de las más energéticas se ha conseguido en lugares ubicados próximos al centro de la Vía Láctea y de fuentes lejanas de ésta.


el plasma termonuclear

El caldo de la fusión Cualquiera sustancia que se calienta a una temperatura de 50 o 100 millones de grados se convierte en lo que llamamos plasma. Es decir, se vuelve una sustancia compuesta esencialmente por núcleos y electrones libres. El plasma se conoce también como el cuarto estado de la materia, donde el primero, segundo y tercero estados son, respectivamente: el estado sólido, el líquido y el gaseoso.

Para comprender qué es una plasma imaginemos una barra de plomo. Inicialmente la barra se encuentra en estado sólido, lo cual significa que sus átomos constituyentes están atados a posiciones fijas alrededor de las cuales sólo pueden vibrar ligeramente. Si la calentamos proporcionamos energía a los átomos de la barra y la magnitud de las vibraciones aumentará hasta llegar a una transición de fase en la cual la barra de plomo se funde, quedando líquida. Si en este estado líquido continuamos proporcionando energía (calentando aún más), los átomos de plomo finalmente adquirirán tanta energía que dejarán de formar un plomo líquido para constituir un gas de átomos de plomo. Finalmente, si en el estado gaseoso continuamos proporcionando energía a los átomos del gas, los electrones de éstos saldrán de sus órbitas atómicas y terminaremos con un gas formado por núcleos y electrones libres; esto es lo que llamamos plasma.

plasma wikipedia


radiación gamma y antimateria

Los rayos gamma son un tipo de radiación electromagnética cuya altísima energía que comporta sus fotones viaja y se esparce. Los materiales radiactivos (algunos naturales y otros hechos por el hombre en plantas nucleares) son fuentes de emisión de rayos gamma. Los grandes aceleradores de partículas que los científicos usan para estudiar la composición de la materia pueden, a veces, generar rayos gamma. Pero el mayor productor de rayos gamma con una multiplicidad de posibles maneras para generarlos es el universo. En cierto sentido, las radiaciones gamma son el humo que señala los fuegos cósmicos subyacentes. La mayoría de los rayos gamma caen en el extremo inferior de su gama y son emitidos como elementos de desintegración radiactiva o cuando los electrones interactúan con otra materia. Pero una fracción pertenece al extremo alto del espectro: cuanto más alta la energía, más raro el fotón. La mayor parte de estos fotones parecen ser el producto secundario de colisiones entre rayos cósmicos y otras partículas. Puesto que las diversas partículas cósmicas ceden rayos gamma de energías variables, los astrónomos pueden, examinando el espectro de los rayos gamma recibidos, inferir qué fenómeno los produjo. Por ejemplo, los electrones que chocan con los fotones de baja energía de la luz estelar o pasan a través de nubes de gas ceden fotones por debajo de los 50 MeV.

La radiación de alta energía de los rayos gamma nos proporciona importante y nuevos datos sobre las estrellas, los púlsares o los agujeros negros en los que tienen lugar los procesos energéticos que pueden emitirla. Los rayos gamma proceden de núcleos atómicos o de la aniquilación positrón-electrón y son, por ello, independientes del estado químico de la materia. Proporcionan otra serie más de "huellas dactilares" detalladas que pueden ayudarnos a identificar los complejos procesos físicos que rodean a esos objetos cósmicos compactos y exóticos.

La primera detección de una explosión de rayos gamma ocurrió en el año 1967, pero ese suceso no fue dado a conocer públicamente hasta el año 1973. El atraso para la entrega al público de esa información se debió a razones políticas. La detección fue registrada por satélites espías que rastreaban el cumplimiento del Tratado de Prohibición de Pruebas Nucleares por parte de los países signatarios. Pero los estudios que se realizaron de los registros de las explosiones detectadas de rayos gamma señalaron que ellas provenían de lugares fuera de la vecindad de la Tierra, de algún lugar lejano del espacio exterior. Hasta 1972, los satélites espías registraron 16 explosiones, todas ellas confirmadas con evidencias duras, pero sin explicaciones razonables para que ellas ocurrieran. Ahora, veinticinco años después, y de haber registrado miles de explosiones, lo científicos todavía no han logrado encontrar una explicación satisfactoria para los extraños sucesos celestiales que llamamos explosiones de rayos gamma.

Al menos dos cuestiones clave en la astronomía de los rayos gamma permanecen aún sin responder. Una de ellas es el origen de los enigmáticos estallidos de radiación. Muchos físicos y astrónomos consideran que esas explosiones de rayos gamma, que casi día a día detectamos en lo alto de nuestro cielo, proceden desde nuestra propia galaxia, probablemente desde una extensa aureola que se extiende más allá de la parte visible de la Vía Láctea. Otros argumentan que las explosiones se generan en las profundidades del cosmos, en galaxias distantes esparcidas a lo largo del universo. El problema para determinar el origen de las explosiones en el cielo de rayos cósmicos está en las dificultades para que se reitere un mismo lugar de observación de fenómenos explosivos de radiaciones gamma, ya que las explosiones que son observadas en un lugar, normalmente, no se vuelven a detectar en la misma parte y ello sólo permite estimar la posible fuente de la explosión.

Cuando los astrónomos rastrean el área donde se detectó la explosión de rayos gamma, posiblemente encuentran varios potenciales candidatos, pero ninguno entrega indicios duros de que pueda ser el actor real. Muchos científicos piensan que la imposibilidad de ubicar la fuente de las explosiones de rayos gamma radica en el hecho de que ellas probablemente fueron destruidas en los instantes de la primera explosión.

Otra idea que circula entre físicos teóricos, astrónomos y astrofísicos es de que el origen de las explosiones de rayos gamma sería la fusión de dos estrellas de neutrones, lo que implicaría que no existirían razones para que se produjeran segundos sucesos semejantes; también se podría dar el caso que un agujero negro atrajera abruptamente a una estrella de neutrones, lo que solamente debiera generar una sola y titánica explosión. No cabe duda que el descubrimiento de explosiones múltiples de rayos gamma ha agregado combustible al calor de las discusiones con respecto a cuál sería el origen.


El segundo tema apremiante es el significado de los destellos de ráfagas gamma de fondo. Puesto que esta difusa radiación gamma fluye desde todas direcciones, los astrónomos suponen que se halla asociada con los rayos cósmicos que también bombardean la Tierra desde todas partes del cielo. Para algunos científicos, pues, la investigación de las radiaciones gamma representa el principal medio de rastrear lo que se ha llamado el Santo Grial de la astrofísica: el origen de los rayos cósmicos.

Hasta ahora, la mejor explicación que se tiene sobre el origen de los rayos cósmicos es que el mismo proceso cataclísmico o altamente energético que produce los rayos gamma produce también los rayos cósmicos. Las supernovas son fuentes probables, como lo son los púlsares y las estrellas binarias de rayos X. Según el escenario de las supernovas, las ondas de choque de una estrella que hace explosión pueden chocar contra las partículas cargadas que flotan en el espacio como parte de la materia interestelar normal. Las ondas bombean energía a las partículas y las envían a través del espacio. Los púlsares pueden arrojar partículas lejos de ellos gracias a sus campos magnéticos que giran con rapidez, y las binarias de rayos X pueden lanzar partículas como parte del proceso de acreción. Una excitante evidencia que apoya esta última hipótesis nos ha llegado a través de los detectores Cerenkov, que han registrado radiaciones gamma secundarias aparentemente relacionadas con las partículas cósmicas procedentes de los sistemas binarios Cygnus X-3 y Hércules X-l, entre otros. En resumen, se puede escribir que la caza del grial cósmico recién todavía se encuentra en sus primeras etapas.

A lo menos una vez al día, el cielo en su parte alta, es iluminado por un gran destello producido por grandes explosiones de rayos gamma. A menudo, esos destellos alcanzan magnitudes superiores a las que pueden ser generadas por todo un conjunto de otros rayos cósmicos y desaparecen posteriormente sin dejar más rastro. Nadie puede predecir cuando volverá a ocurrir la próxima explosión o de que dirección del cielo procederá. Hasta ahora, no contamos con evidencias duras como para asegurar cuáles podrían ser las fuentes precisas de donde provienen esos rayos gamma que observamos en lo alto del cielo, las razones que ocasionan los grandes destellos y la distancia en la cual ocurre el fenómeno.

Aparentemente, la naturaleza de la mayoría de las grandes explosiones de rayos gamma ocurre dentro de la población normal de las galaxias que se encuentran cohabitando en el universo, lo que implicaría que el porcentaje mayoritario de explosiones detectadas se habrían generado fuera de la Vía Láctea y que solamente una vez en un millón se producirían dentro de la galaxia.

La magnitud de la energía que se libera en las explosiones de rayos gamma es monumental, puede permanecer desde una fracción a unos cientos de segundos, y equivale a toda le energía que ha liberado el Sol durante los 10.000 millones de años de su existencia. A esa conclusión llegaron un grupo de astrónomos del STSCI, de Baltimore, liderados por Kailash Sahu. Para ello, estudiaron las imágenes que captó el Telescopio Espacial Hubble; primero, las que correspondían a una explosión que se registró el 28 de febrero de 1997 y, segundo, las que fueron tomadas posteriormente el 26 de marzo y 7 de abril del mismo año, sobre el mismo suceso. La primera imagen destaca a una increíble explosión. La segunda toma de imágenes muestran a un extraño objeto semejante a una galaxia como factible generador de la explosión y que ésta se habría realizado bastante lejos del centro de la posible galaxia, lo que estaría descartando a los masivos agujeros negros moradores de la mayoría de los núcleos galácticos, como causantes de esas brutales explosiones.

Pero la seguidilla de captaciones de explosiones de rayos gamma e incrementos de incógnitas han continuado. Una monstruosa explosión captada el 8 de mayo de 1997, por las cámaras de un nuevo espectrógrafo empotrado en el HST, y un seguimiento del suceso hasta el 2 de junio del mismo año, ha demostrado que las explosiones de rayos gamma siguen sin tener autores. Las imágenes muestran la terrible explosión, pero ningún objeto causante de ella, ni siquiera una galaxia se ha podido encontrar cerca del suceso. Esto viene a aumentar la perplejidad sobre la fuente de estas explosiones enigmáticas, ya que tal como señalamos anteriormente, el Hubble captó otra explosión de rayos gamma donde se podía identificar a una posible galaxia como fuente de los "cataclismos cósmicos de radiación gamma", por lo menos, así lo sugieren los estudios que se han realizado sobre el espectro Keck captado.

Señalé en este trabajo que el más grande generador de rayos gamma es el universo con una multiplicidad de medios para hacerlo. En consecuencia, la búsqueda de objetos estelares productores de ellos va a ser una tarea titánica. Pienso que esas brutales explosiones de rayos gamma que hemos relatado, posiblemente obedecen a tremendos choques entre estrellas de neutrones o a la abrupta engullición de una de esas estrellas por parte de un agujero negro.

En los últimos tiempos, las nuevas tecnologías que se están usando en la exploración del espacio nos han permitido detectar explosiones de rayos gamma que anteriormente no las habíamos observado. Cuatro grandes explosiones sucesivas, en grupo de dos, de rayos gamma se han podido distinguir en el espacio con duraciones de hasta 23 minutos y captadas en un mismo punto del cielo; mientras que lo habitual era detectar explosiones diarias de unos 10 a 30 segundos de duración, y cuya orientación indicaban una procedencia desde el cosmos disímil para cada una de ellas. Esto es obvio que tiene que parecer inusitado, ya que de observaciones de explosiones de rayos gamma de cortísima duración y de captaciones distribuidas arbitrariamente, ahora se han podido distinguir explosiones de una mayor duración y proviniendo, aparentemente, desde una misma parte del espacio.

Ahora bien, el hecho de que se hayan podido captar explosiones de rayos gamma de mayor duración y en un mismo lugar de lo alto cielo, no le entrega a los astrónomos antecedentes suficientes como para poder asegurar si la fuente de ellas es un sólo objeto en el espacio o varios, pero lo que no cabe duda es de que esos fenómenos no son una casualidad, y que su origen debe provenir de lugares relacionados en el cosmos.

Hemos reiterado que el problema principal que se presenta en el estudio de las explosiones de rayos gamma es ubicar y distinguir que es lo que la originan, y en ello compiten las dificultades que se tienen para detectar una reiteración de explosiones en un mismo lugar del cielo. Pero siempre se puede dar una vez. El 28 de febrero de 1997, el satélite ítalo-holandés Beppo-Sax, lanzado al espacio en 1996, detectó una explosión de rayos gamma en la constelación de Orión. Afortunadamente, a parte de comportar un espectrómetro, el satélite también contiene varias cámaras fotográficas de alta resolución que le permitieron captar una emisión de rayos X en el mismo lugar donde se había detectado la explosión de rayos gamma, ocho horas antes.

Como la emisión de los rayos X rápidamente se desvaneció, los astrónomos de alrededor del mundo orientaron los telescopios hacia el lugar donde se detectó la radiación de los rayos y lograron vislumbrar un objeto reluciendo débilmente. Más aún, el objeto parecía hallarse dentro de una galaxia poco activa. Es posible que en ello se haya encontrado el primer nexo directo de que una explosión de rayos gamma sea generada por los residuos de otra gran explosión ocurrida en una galaxia. Se trataría de una evidencia bastante importante, pero igual es prematuro asegurar que los rayos X que se detectaron sean los rezagos de la explosión original de los rayos gamma. Y el objeto en cuestión podría tratarse de que éste yaciera en la misma línea de observación de la galaxia y no cohabitar en ella; no obstante de que se ha podido comprobar, por imágenes captadas por el HST del mismo objeto en períodos de tiempos distintos, de que se mueve tan rápidamente como lo hacen algunos que se encuentran en el centro de la Vía Láctea y que han tenido un seguimiento de estudio.

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como generar rayos gamma

Con un millón o más de veces la energía de los fotones de la luz visible, los rayos gamma son, con mucho, la forma de radiación electromagnética más energética. Los rayos gamma pueden ser producidos por los materiales radiactivos, ya sea fabricados por el hombre o por la misma naturaleza. Existen varios procesos físicos que se han distinguido para que se generen rayos gamma. Entre ellos se pueden señalar los siguientes:

1.- La colisión de una partícula de alta energía con otra;

2.- El aniquilamiento de una partícula a través de la colisión con su propia antipartícula;

3.- La descomposición radiactiva de un elemento, y

4.- La aceleración de una partícula cargada.

La colisión de partículas de alta energía produce uno o más piones (AD) neutros de la familia de los mesones. Esta son partículas livianas de número bariónico 0 (1/3 - 1/3) e inestables que se descomponen en un par de rayos gamma. Dado que los piones se mueven a altísimas velocidades como resultado de su violento nacimiento, los rayos gamma se observan proyectándose como una formación en "V". Este proceso origina altos índices de energía en los rayos gamma (mayores de 72 MeV), que es un reflejo de la incidencia de la energía de las partículas.

Una partícula y su correspondiente antipartícula, como un electrón y un positrón, experimentan los que se llama en física proceso de aniquilamiento. Es este proceso el que produce el pión neutro que rápidamente se descompone en rayos gamma.

La descomposición radiactiva, o la desexitación electromagnética del núcleo, son fuentes de generación de emisión de rayos gamma. En la observación de los rayos gamma se puede distinguir el estado de exitación en que se hallan los núcleos, identificarla y, a su vez, medir el valor de ella. Para que ello ocurra, es necesario la presencia de condiciones físicas extremas que permitan la exitación de los núcleos para que con ello se puedan dar ambientes físicos únicos para observar. Las fuentes de radiaciones de rayos gamma en el espacio se encuentran asociadas a los procesos de nucleosíntesis, tales como los que se dan en las supernovas.

El campo magnético de una partícula cargada autoacelera a ésta. Esto ocasiona que la partícula se radiactive, cuyo poder de emisión es proporcional al cuadrado de la fuerza dividido por el cuadrado de la masa de la partícula. Para el electrón, esta radiación es frecuente en la región de rayos gamma en el espectro electromagnético. El carácter de la radiación ( y el nombre que se le da a ello) depende de la naturaleza de la fuerza de aceleración. Si el electrón es acelerado en el campo electrostático alrededor de un núcleo, la radiación resultante es llamada "bresstrahlung"; se le llama radiación ciclotrónica cuando la aceleración tiene lugar en un campo magnético estático, y es nombrado como dispersión Compton o Thomson cuando la aceleración se da en el campo electromagnético de un fotón.

Los rayos gamma son tan energéticos que pueden atravesar un espejo situado incluso en el menor ángulo rasante. Comportan la factibilidad de poder generar el extraño fenómeno conocido como producción de pares. Según las leyes de la física cuántica, un rayo gamma que pase cerca de un núcleo atómico puede crear un par de partículas, un electrón y su pareja de antimateria, un positrón.

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