LA ANTIMATERIA A EXAMEN por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

En algunos ámbitos suena a esotérico hablar de antimateria. Se concibe propio de la ciencia ficción y en ambientes intelectuales competentes, cuando menos, se refiere como una faceta de la que no sabemos casi nada o, como mucho, conocemos poco y resulta inaprensible y, quizás, sea un constructo de los científicos que la introducen para encajar sus especulaciones. Pero, nada más lejos de la realidad. Hoy se trabaja con la antimateria y se trata de caracterizarla, sobre todo de forma diferencial, lo que debe conducirnos a desentrañar su realidad.

Si el Universo nació con las mismas cantidades de materia que de antimateria, debería haberse aniquilado. No sucedió. De siempre se ha pretendido encontrar la diferencia entre materia y antimateria que explique por qué no sucedió. También se ha conjeturado con diferentes propiedades magnéticas, pero se ha comprobado que son idénticas. Los átomos normales formados por electrones (cargados negativamente) y núcleos con carga positiva, son diferentes de los de antimateria que tienen núcleos negativos y electrones cargados positivamente (positrones). El Big Bang debió producir iguales cantidades de ambas pero, de ser así, se debió destruir. Paradójicamente, el Universo está constituido por materia y es difícil dar con la antimateria. Se han analizado diferencias de carga y, también, se ha analizado el magnetismo. Las propiedades magnéticas son idénticas. Tiene que haber alguna asimetría en alguna parte, una ruptura de la simetría. El momento magnético es el mismo, pero de signo contrario. En resumen, carga, masa y otras propiedades de la materia y la antimateria se cancelan y lo mismo que ocurre con los momentos magnéticos. Hay que tener en cuenta que la antimateria es muy inestable y desaparece en cuanto toca la materia normal. Es por ello que tuvieron que desarrollar técnicas sofisticadas como capturarla en trampas de Penning, que almacenen las partículas en campos magnéticos y eléctricos especializados. Protón y antiprotón dan el mismo resultado.

El experimento denominado ALPHA, que se desarrolla en el decelerador de antiprotones del CERN, hace unos meses que se ha elaborado un informe sobre la primera observación de la estructura hiperfina del antihidrógeno, empleando espectroscopía de microondas. La línea de 21 cm se observa frecuentemente en el Universo. La observación de la línea de 21 cm en el átomo de hidrógeno supuso el nacimiento de la radioastronomía. Se observó en 1951 por primera vez por Ewen y Purcell, en Harvard y Hulst predijo en 1944 que la línea debería ser observable en emisión. Esta radiación de 1420 Mhz es capaz de atravesar las nubes de polvo galáctico y permite caracterizar a las propias estrellas, dado que la luz visible de éstas no es capaz de penetrar las nubes de polvo. Corresponde a la transición entre los dos niveles de espín del estado fundamental del átomo de hidrógeno, que se desdobla, gracias a la interacción entre el espín del electrón y el del núcleo. Este desdoblamiento es sumamente pequeño, dado que la energía del estado fundamental del átomo de hidrógeno es de -13.6 eV,  y resulta ser de tan solo dos partes por millón (5.8 micro eV). Supone pasar de espines antiparalelos a paralelos, que tienen una energía ligeramente superior.

La empresa es increíblemente ambiciosa. La teoría dice que no hay diferencias con la materia. Se trata de comprobar si hay o no diferencia. La proeza tecnológica es disponer de átomos de antimateria. Ha que crearla y se mantenerla mientras se miden las líneas. En el PET (tomografía por emisión de positrones) se emiten los positrones y, por tanto, hay antimateria. Otra cosa es crear un átomo y mantenerlo. Con 8 o 10 átomos se pueden lograr obtener medidas. En Ángeles y Demonios, de Dan Braum se pretende destruir el Vaticano con antimateria, curiosamente.  Imaginación no suele faltar. En la realidad se estudian tránsitos. En un tránsito tiene lugar un cambio. Hay dos configuraciones en el átomo de hidrógeno y el electrón va tomando distintos valores del número cuántico principal. Son las transiciones más energéticas. Cuando cambian de espín, se generan diferencias en las configuraciones:  la antiparalela tiene un poquito más de energía. Corresponde a la energía de un fotón de 21 cm, necesaria para hacer el cambio. El espín es un concepto “alucinante”, como diría el castizo. El espín tiene que ver con la simetría rotacional de la materia, de las cosas. Cuando se pensaba en el átomo como si fueran bolitas, era cierta la imagen de esos giros. Hoy no lo es. Esa imagen no corresponde. Pensar que un espín ½ significa que se necesita media vuelta para coincidir con la posición inicial, es una visión errónea. Viene a ser una expresión de cómo se acopla la materia con los campos magnéticos. El tema tiene alcance. Los electrones cambian de espín para acoplarse con el núcleo y éste hecho es el que se refleja en la estructura hiperfina.

El interés de estudiar este tránsito, como cualquier otro, es la comparación entre materia y antimateria, tratando de averiguar si hay diferencias. Ya en 2012 el experimento ALPHA demostró, por vez primera, que se disponía de habilidad técnica para medir la estructura interna de los átomos de antimateria. En 2016 se informó de la primera observación de una transición óptica de antimateria. Exponiendo los átomos de antimateria a microondas de una frecuencia precisa, hace unos meses, el equipo del CERN ha inducido transiciones pertenecientes a las transiciones hiperfinas. Midieron dos líneas espectrales del antihirógeno y observaron la diferencia comparando con las líneas equivalentes del hidrógeno. Utilizando técnicas de atrapamiento consiguieron disponer de 74 antiátomos, con lo que mejoraron la precisión de las medidas y es de suponer que en un futuro próximo dispondremos de elementos que caractericen a la antimateria de forma más precisa y convincente. Se trata de comprender como evolucionó el Universo en el que vivimos, un argumento cabal de por qué existimos nosotros y todo cuanto nos rodea. Son interrogantes vitales que se resisten, pero los científicos no cejan en el intento.