La antimateria: el mundo en negativo (1)

El físico teórico británico Paul Dirac, el primero en considerar la posible existencia de antipartículas, aseguraba en su discurso tras recibir el premio Nobel de Física en 1933 que, al igual que eran posibles dichas antipartículas, podrían serlo las antiestrellas, los antiplanetas e, incluso, los antihombres. Es decir, podía existir la antimateria.

A principios del siglo XX, proliferaron de una manera inusitada complejas teorías físicas, opuestas al sentido común y difíciles de asimilar. Por un lado, la relatividad especial asegurando extraños comportamientos para la materia a altas velocidades y relaciones sorprendentes como aquella que existe entre masa y energía –E=mc2-. Por otro, la incipiente física cuántica, proponiendo una naturaleza ondulatoria para la materia en el ámbito microscópico, donde se desenvuelven las partículas subatómicas como el protón o el electrón.

Como es sabido, los átomos se componen, básicamente, de protones y neutrones, que conforman el núcleo atómico, y electrones. Pues bien, el 6 de diciembre de 1919, Paul Dirac (1902-1984) presentó su trabajo titulado “Teoría de los electrones y de los protones”. Dirac había creado unas ecuaciones que conciliaban el comportamiento cuántico de las partículas atómicas con su movimiento a velocidades comparables a las de la luz, esto es, relacionaban la Teoría de la Relatividad con la mecánica cuántica para explicar el comportamiento de los electrones. Todo encajaba en ellas salvo una cosa: de la ecuación que daba la energía de un electrón se obtenían dos valores para la misma, uno positivo, completamente razonable, y otro negativo, que no correspondía con ningún comportamiento hasta entonces observado en la física. En la nueva mecánica no existía ninguna razón para eliminar la solución negativa de la energía, a pesar de que, de momento, no se relacionara con un significado físico concreto.

Inquietado por esta anomalía pero muy seguro de su teoría, Dirac siguió investigando en sus ecuaciones y llegó a una conclusión razonable: “Un electrón en un estado de energía negativa es un objeto completamente ajeno a nuestro experimento, pero al que podemos, sin embargo, estudiar en su aspecto teórico; podemos prever, particularmente, su movimiento en un campo electromagnético cualquiera –un campo tal es una zona donde una carga eléctrica sufrirá fuerzas capaces de desviarla de su trayectoria dependiendo del signo de dicha carga-. El resultado del cálculo (…) es que un electrón de energía negativa es desviado por el campo exactamente igual que lo sería un electrón de energía positiva si tuviese una carga eléctrica positiva +e”. El electrón ordinario conocido hasta entonces poseía energía positiva y carga negativa “-e” (siendo “e” el valor numérico concreto de la carga del electrón -1,602x10-17 culombios). De esta manera, Dirac proponía la existencia de una partícula igual en todo al electrón, pero de carga opuesta en signo.

En aquella época, sólo se conocían dos partículas subatómicas con carga: el protón –con carga positiva +e- y el electrón –con carga negativa –e-. En un principio, Dirac pensó que la partícula antes descrita de energía negativa y carga positiva era el protón. Pero enseguida advirtió que la diferencia de masa entre el protón y el electrón era demasiado grande para ser esto cierto –el protón es unas mil veces más pesado que el electrón-. Decidió entonces proponer la existencia de una nueva partícula, el antielectrón, al que más tarde se denominaría positrón. Dirac aventuró también la existencia de los antiprotones, descubiertos 24 años más tarde: “Es probable que los protones tengan sus propios estados de energías negativas”, escribiría en 1931.

La reputación de Dirac no tuvo que esperar mucho tiempo el respaldo de los físicos experimentales. Tan sólo cuatro años después, en 1932, el físico estadounidense Carl Anderson (1905-1991) decidió utilizar una cámara de Wilson –un cilindro lleno de aire cargado de vapor de agua-, introducida dentro de un electroimán para estudiar los rayos cósmicos.

Los rayos cósmicos son radiaciones muy energéticas provenientes del espacio interestelar que, al chocar con las partículas de la atmósfera, producen reacciones en las que se obtienen como resultado numerosas partículas –y, aún no lo sabían, antipartículas-. Al llegar estas partículas producto a la cámara de Wilson, si están cargadas eléctricamente, ionizan a su paso las moléculas del aire saturado de agua, dejando tras de sí un rastro de iones. Alrededor de estos iones se condensan gotitas de agua, lo cual hace visible el rastro de las partículas. Es entonces cuando entra en juego el electroimán. Éste crea una fuerza eléctrica sobre las partículas cargadas eléctricamente, desviándolas de su trayectoria tanto más cuanto mayor sea su carga en valor neto, y acercándolas o alejándolas a los polos del electroimán dependiendo del signo de dicha carga. De esta manera, Anderson podía determinar la masa y la carga de las partículas que, provenientes de los rayos cósmicos, atravesasen su montaje.

El resultado del experimento fue que, en varias de las fotografías tomadas, se evidenciaban trayectorias que correspondían a partículas cargadas positivamente y de masa muy pequeña comparada con la del protón: se trataba de positrones. Las previsiones de Dirac habían sido corroboradas. El 28 de febrero de 1933, Anderson comunicó sus resultados a la prestigiosa revista Physical Review, cuyo editor bautizó a la nueva partícula como “positrón”. Tres años más tarde, Anderson recibiría el premio Nobel de Física por su descubrimiento, la primera evidencia experimental de la existencia de la antimateria.

Las generalizaciones, entonces, no se hicieron esperar. Si existían positrones o antielectrones, podrían existir también antiprotones y antineutrones. Sin embargo, la energía necesaria para la observación de estas antipartículas era bastante superior a la obtenida en los laboratorios de la época. Y es que, para crear partículas de masa mucho mayor que la del electrón, se necesitan también energías mucho más grandes debido a la equivalencia E=mc2 entre masa y energía.

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