¿Qué es la antimateria? El reflejo del universo que desapareció

Qué es la antimateria: el espejo perfecto de la materia

A cada partícula de materia le corresponde una antipartícula: una gemela con exactamente la misma masa y el mismo espín, pero con la carga eléctrica opuesta y con los números cuánticos de tipo carga —como el número bariónico o el leptónico— invertidos. El antielectrón, llamado positrón, tiene carga positiva; el antiprotón, carga negativa. Combinados forman antiátomos: el CERN produjo los primeros átomos de antihidrógeno en 1995, y en 2010 el experimento ALPHA logró atraparlos por primera vez en una trampa magnética.

La historia empezó con un cálculo. En 1928, el físico británico Paul Dirac formuló la ecuación que unía la mecánica cuántica con la relatividad especial para describir el electrón. Las matemáticas exigían una segunda solución: una partícula idéntica al electrón pero con carga positiva. Dirac tardó en aceptar lo que su propia ecuación decía y en 1931 predijo formalmente el «antielectrón». Solo un año después, en 1932, Carl Anderson fotografió en Caltech una partícula de los rayos cósmicos que se curvaba «al revés» en un campo magnético: el positrón. Dirac recibió el Nobel en 1933; Anderson, en 1936. Pocas veces un trozo de álgebra ha predicho la existencia de la mitad del catálogo de partículas de la naturaleza.

Aniquilación: E=mc² en su forma más pura

Cuando un electrón se encuentra con un positrón, ambos desaparecen. Toda su masa se transforma en energía siguiendo E=mc², normalmente en forma de dos fotones gamma de 511 kiloelectronvoltios cada uno —exactamente la energía en reposo del electrón— emitidos en direcciones opuestas.

Es la conversión de masa en energía más eficiente que conoce la física. La fisión nuclear libera en torno al 0,1 % de la masa del combustible; la fusión, alrededor del 0,7 %. La aniquilación libera el 100 %. Un solo gramo de antimateria, aniquilado con un gramo de materia, liberaría unos 1,8×10¹⁴ julios: unos 43 kilotones de TNT, casi el triple de la bomba de Hiroshima. Esa cifra explica la fascinación… y también el malentendido, como veremos.

Antimateria en la vida real: escáneres PET, plátanos y rayos cósmicos

No hace falta un acelerador de partículas para cruzarse con antimateria. Está mucho más cerca de lo que parece:

• Escáneres PET: la fluorodesoxiglucosa marcada con flúor-18 (semivida de 110 minutos) emite positrones dentro del cuerpo. Cada aniquilación genera dos fotones de 511 keV que salen en direcciones opuestas; el anillo de detectores los capta en coincidencia y reconstruye, punto a punto, dónde consume glucosa un tumor.
• Plátanos: el potasio natural contiene un 0,0117 % de potasio-40, un isótopo radiactivo que en una fracción minúscula de sus desintegraciones emite positrones. Un plátano produce, de media, un positrón cada 75 minutos aproximadamente.
• Rayos cósmicos: el positrón se descubrió en ellos. Además, el satélite PAMELA confirmó en 2011 que la magnetosfera atrapa un tenue cinturón de antiprotones alrededor de la Tierra.
• Tormentas eléctricas: el telescopio espacial Fermi detectó en 2011 haces de positrones asociados a destellos de rayos gamma terrestres generados sobre las nubes de tormenta.

Por qué no hay bombas ni motores de antimateria

La novela «Ángeles y demonios» imaginaba un cuarto de gramo de antimateria robado del CERN. La física dice otra cosa: toda la antimateria producida por la humanidad en más de medio siglo suma unos pocos nanogramos, y su energía acumulada apenas bastaría para encender una bombilla durante unos minutos.

Por eso no hay bombas ni motores de antimateria en el horizonte: no por falta de imaginación, sino por termodinámica y presupuesto. Los números son implacables:

• Coste: la NASA estimó en 1999 que producir un gramo de antihidrógeno costaría unos 62,5 billones de dólares. Es, con diferencia, la sustancia más cara jamás producida.
• Eficiencia: fabricar antimateria en un acelerador consume del orden de mil millones de veces más energía de la que devolvería su aniquilación. No es una fuente de energía; en el mejor de los casos sería un «depósito» extraordinariamente denso, y hoy ni siquiera eso es viable.
• Almacenamiento: no puede tocar ningún recipiente material. Se confina con campos electromagnéticos en trampas de Penning; el experimento ALPHA del CERN logró en 2011 mantener antihidrógeno atrapado unos 1.000 segundos, unos 16 minutos.

El gran enigma: un universo hecho solo de materia

El Big Bang debería haber creado materia y antimateria exactamente a partes iguales. Si la simetría hubiera sido perfecta, todo se habría aniquilado y el universo sería solo radiación. Y sin embargo, aquí estamos. Las mediciones indican que por cada mil millones de pares partícula-antipartícula que se aniquilaron sobrevivió una única partícula de materia. De ese residuo de uno entre mil millones están hechas todas las galaxias, la Tierra y tú.

A esa descompensación se la llama asimetría bariónica y es uno de los grandes problemas abiertos de la física. En 1964, James Cronin y Val Fitch descubrieron que ciertas partículas, los kaones, violan la simetría CP: la naturaleza no trata de forma perfectamente idéntica a materia y antimateria (Nobel de 1980). En 1967, Andréi Sájarov formuló las tres condiciones necesarias para generar ese desequilibrio. El problema: toda la violación CP conocida en el Modelo Estándar se queda corta, en muchos órdenes de magnitud, para explicar el universo observado.

El balance cósmico actual es elocuente: alrededor de un 68 % de energía oscura, un 27 % de materia oscura y solo un 5 % de materia ordinaria… con una cantidad de antimateria prácticamente nula.

Antineutrinos: la frontera entre materia y antimateria

El antineutrino es la antipartícula del neutrino. Como ninguno de los dos tiene carga eléctrica, distinguirlos es sutil: se diferencian por el número leptónico y por su comportamiento en la interacción débil. De hecho, la primera detección directa de un (anti)neutrino fue de antineutrinos: en 1956, Clyde Cowan y Frederick Reines los detectaron junto al reactor nuclear de Savannah River mediante la desintegración beta inversa (Nobel para Reines en 1995). Un reactor comercial emite del orden de 10²⁰ antineutrinos por segundo, y hoy se detectan con instrumentos cada vez más compactos.

Aquí la antimateria conecta con la frontera actual de la física. Dos preguntas siguen abiertas. Primera: ¿es el neutrino su propia antipartícula, una «partícula de Majorana»? Los experimentos que buscan la desintegración doble beta sin neutrinos intentan responderla. Segunda: ¿oscilan igual los neutrinos y los antineutrinos? El experimento japonés T2K publicó en 2020 indicios de que no —una posible violación CP leptónica—, y los detectores DUNE (EE. UU.) e Hyper-Kamiokande (Japón) lo comprobarán en los próximos años. Si la oscilación de neutrinos resulta ser distinta a la de los antineutrinos, estas partículas podrían ser la pieza que falta para explicar por qué ganó la materia.

Qué tiene que ver esto con la investigación neutrinovoltaica

Cada avance en física de antipartículas afina el mapa de cómo interactúan con la materia las partículas más esquivas. Tres hitos recientes marcan ese camino: el Nobel de Física de 2015 a Takaaki Kajita y Arthur McDonald por demostrar que los neutrinos oscilan y, por tanto, tienen masa; el experimento COHERENT, que en 2017 midió por primera vez cómo los neutrinos transfieren un impulso minúsculo pero real a los núcleos atómicos; y los trabajos de Paul Thibado (2020) sobre cómo las ondulaciones del grafeno pueden convertir movimiento térmico en pequeñas señales eléctricas.

Sobre esa base científica trabaja el Neutrino Energy Group, una organización de investigación fundada en Berlín en 2008 por Holger Thorsten Schubart. Su línea de trabajo, la tecnología neutrinovoltaica, investiga cómo convertir parte del flujo ambiental que nos atraviesa —radiación cósmica y térmica, campos electromagnéticos y también neutrinos— en corriente eléctrica mediante un material multicapa de grafeno y silicio patentado (WO2016142056A1). Conviene decirlo con claridad: es investigación en desarrollo, no un producto a la venta. Pero la lección de la antimateria es pertinente para toda nueva tecnología energética: lo que en 1928 era una anomalía matemática en la ecuación de Dirac hoy diagnostica tumores a diario. Entender las partículas «invisibles» tiene una larga tradición de acabar siendo útil.