Posibles usos de antimateria.
Investigador: Doctor Javier M. Hernández López
Alumno: Alonso Ricaño Carlos
¿Por qué antimateria? - Inicio del universo, - Bariogénesis, - Descubrimiento de la antimateria - Experimentos de LHC - Posibles aplicaciones ¿Por qué antimateria? Para saber que es la antimateria es necesario conocer la materia “normal” antes, los hombres de ciencia y de filosofía han estudiado la materia como tal durante muchos siglos, casi desde que se tienen recuerdos. La curiosidad humana nos ha llevado a comprender cada vez más de lo que la materia es, pasamos de creer que la materia eran simples puntos alineados, hasta conocer las partículas sub-atómicas y sub-sub-atómicas. Hay quienes dicen que las cosas vienen de dos en dos y esta no es la excepción, la materia esta constituida por dos principales partículas subatómicas cargadas: los protones y electrones, estos son la base de los estudios que los científicos hacen, con la adición de los neutrones (partículas con carga neutra). Los protones son partículas de carga positiva, están pesados en 1,672 621 637(83) ×10−27 kg, cosa que es muy poco peso, al igual que su radio de carga útil que es de 0.000 000 000 000 000 087 5 m lo cual hace que la comprensión dimensional de estos elementos sea de gran imaginación. En el caso de los electrones estos son 1/1900 del protón (aproximadamente) es decir 9,10938215 × 10−31 kg y tienen una carga negativa lo cual los hace opuesto a los protones de carga positiva. Los átomos también están hechos de partículas llamadas neutrones, como mencionamos, los cuales tienen propiedades similares a los protones por su masa y tamaño, también están conformados por quarks como los protones, pero ese no el caso de los electrones (estos no han sido catalogados como partículas constituidas por otras subparticulas).
La antimateria por otro lado es un material muy raro en el universo. La principal característica de la antimateria es que al entrar en contacto con la materia normal resulta en una aniquilación por parte de ambos bandos, la razón de esto es que por el hecho de tener propiedades diferentes hace no sean estables juntos y los resultados de estos crean la liberación de energía con una fuerza extraordinaria. Se cree que podría haber antimateria por ahí, en alguna parte del espacio pero
aún no se ha encontrado. La antimateria es lo opuesto a la materia normal, los elementos que la conforman son opuestos a los de la materia normal, en muchas propiedades, es decir la materia está constituida por un núcleo positivo (hecho de protones y neutrones) y una nube de partículas negativas conformadas por electrones. La relación electromagnética hace que las fuerzas positivas atraigan electrones negativos creando la materia, pero la antimateria tiene un núcleo negativo hecho de antiprotones y una nube de partículas positivas llamadas positrones que rodea al núcleo negativo creando un elemento totalmente opuesto a las que conocemos hasta ahora. Inicio del universo El estudio del origen del universo esta en desarrollo aún, todavía no sabemos exactamente como se creó el universo que conocemos pero el descubrimiento y estudio de este nuevo material, la antimateria nos indica que tal vez, en un principio, hubo alguna vez antimateria en conjunto con la materia normal. La teoría más aceptada del origen de universo es la del “big bang” que dice que el universo y toda la materia que conocemos vino de un solo punto, un solo objeto que contuvo toda la materia del universo y que después de un cierto tiempo tuvo una explosión liberando su gran carga energía y masa. Esta teoría es abiertamente aceptada por las mentes de ciencia dado los estudios que han hecho del universo que conocemos, según las mediciones que se han realizado desde hace 70 años, indican que el universo en el que navegamos está en expansión. Según los telescopios, las galaxias y nubes de gas se han estado expandiendo, se separan unas de otras, crean más espacio entre ellas, eso indica que alguna vez estuvieron juntas y formaban un todo único, es decir que toda la materia y espacio estaban en un solo punto de densidad infinita que guardaba toda la materia en estados diferentes a los que vemos en la actualidad. Las partículas que se liberaron en los primeros momentos del big bang fueron bariones, partículas subatómicas que están formadas por quarks que estaban tan calientes que no podían formar átomos, pero al enfriarse se creó la materia que conocemos. Bariogénesis La bariogénesis es la postulación de teorías que tratan de suponer como se desarrollaron los primeros bariones del universo que salieron de la gran explosión que lo originó todo. Con los estudios e investigaciones del big bang se ha llegado a la conclusión de que alguna vez hubo bariones y antibariones y también la partículas de las que están hechas: quarks y anti quarks. La relación de estos dos grupos de partículas es la misma entre materia y antimateria y ambos son los pilares de los átomos y de los anti átomos.
Las teorías del origen del universo tienen problemas con el ámbito de la antimateria, esto porque la ciencia tiene teorías que indican cómo se podría haber formado el universo pero no explican como se desarrolló con materia y no con antimateria en su conjunto, se cree que la antimateria y la materia normal tuvieron un “duelo” en el que la materia que conocemos “ganó” el encuentro. El “caldo” de donde salió el universo joven, pudo haber estado formado por dos partes, una de antimateria y otra de su opuesta, conviviendo en armonía, hasta que un suceso hizo que la antimateria fuera expulsada de la ecuación para siempre. Se cree que la razón para que la materia ganara la dominación de universo es que esta superaba a su opuesto contrincante por un quark, se cree que por cada millón de parejas barion-antibarion hubo una asimetría sobre los antibariones del 99%. Esto no es completamente aceptado, se cree que el universo no pudo, en principio, ser asimétrico, este debió tener una igualdad, una forma más balanceada para poder existir, de otra forma este hubiera tenido que ser balanceado por fuerzas (que no conocemos) y volver a la forma que más eficientemente hubiese sido más estable. La teoría más aceptada y mejor comprendida, acerca del resultado final es que el universo siempre ha sido igual, simétrico, o al menos eso es lo que queremos que sea, dado a que un mundo sin variables es el más sencillo. La cantidad de bariones y anti bariones fue el mismo, tenían las mismas cargas y de igual intensidad, pero por razones que no conocemos, las circunstancias hicieron que los antibariones fueran aniquilados. Los filósofos creen que en algunas partes del universo hay antimateria latente o tal vez hay mundos paralelos que poseen la antimateria perdida y que no podremos encontrarlos dado que se encuentran más allá del universo visible. Descubrimiento de la antimateria. Durante los años 20 los científicos británicos formularon una ecuación donde se predecía la existencia de la materia con carga opuesta a la materia normal, el crédito fue de Paul Dirac, quien imaginó la existencia de partículas opuestas a las de materia ordinaria y en 1932 un científico californiano de nombre Carl David Anderson, descubrió la antipartícula al electrón, que por tener carga positiva y la misma masa que un electrón lo nombro positrón. En 1955, dos hombres: Emilio Segrè y Owen Chamberlain, trabajaron juntos en la gran guerra y durante la paz que le precedió. Estos dos estuvieron en las investigaciones posteriores a las del proyecto Manhattan y más específicamente en los estudios del protón, en la Universidad de Berkeley California, trabajaron con las propiedades del protón hasta que se toparon con dos antipartículas más: el antiprotón y antineutrón. Pero hasta ahora no hemos hablado de la antimateria, esto es porque se creía que estas partículas solo eran residuos de acciones producidas en las cámaras radioactivas. Sin embargo otra gente imagino la antimateria como tal cuando en 1965 en los colisionadores, de Nueva York y el europeo (el CERN) paralelamente crearon anti-deuterio (el isotopo del Hidrógeno).
Hasta la creación del gran colisionador de hadrones (LHC) los experimentos previos fueron de gran ayuda para la comprensión de la materia no-ordinaria. Los antiguos colicionadores eran más rudimentarios y pequeños y no tenían el poder y capacidad al moderno LHC, sin embargo los científicos se las arreglaron para crear protones y antiprotones y hacerlos colisionar. Estos estudios fueron los pasos de bebe para la física de partículas. Experimentos con el LHC El gran colisionador de hadrones o Large Hadron Collider (por sus siglas en ingles) es un aparato capaz de mover a través de un canal, material de escalas atómicas y hacer que colisione para investigar las consecuencias del choque, esto ayuda a los científicos a resolver dudas con problemas físicos y matemáticos, dado que las colisiones llevan a la materia a estar en condiciones que de otra forma no se llevarían a cabo, ciertos comportamientos. El LHC es un instrumento científico gigantesco, instalado en Ginebra en la frontera entre Suiza y Francia a unos 100 mts bajo tierra y tiene una circunferencia de 27 km. El LHC es un acelerador de partículas usado por los físicos para estudiar las partículas subatómicas. Está diseñado para colisionar protones o iones pesados de plomo, guiados en forma electromagnética en el interior del colisionador. Dicho campo electromagnético está generado por imanes súper-conductores enfriados por un enorme sistema criogénico. Tengamos en cuenta que las instalaciones donde funciona el LHC ya existían (las instalaciones del LEP), pero los últimos 5 años de trabajo se han utilizado para enfriar las instalaciones a la temperatura de trabajo, que oscila entre 1.7 y 1.9 K (-271ºC). El descubrimiento de la antimateria en las colisiones de hadrones fue una gran sorpresa la los científicos durante los años 30, cabe mencionar que aquellos colisionadores eran mucho más pequeños de lo que pueden ser ahora. Cuando la construcción del LHC fue finalizada, los científicos ya sabían a que se estaban enfrentando, las cantidades de antimateria no iban a ser pequeñas variables sino cantidades considerables. Las primeras explosiones dirigidas por el CERN, a 1/8 de la capacidad total de los imanes dieron como resultado la aparición de positrones y anti hidrógeno entre varios tipos de hadrones. La antimateria es resultado de las colisiones, la cantidad de energía tan grande en una cantidad de espacio tan chica hace que las leyes de física creen materia y más energía dando como posible resultado la creación de la antimateria. La energía que se libera de las colisiones crea materia por pares, esto quiere decir que por cada partícula creada hay otra a la par pero con carga opuesta, lo cual crea la antimateria. Cada protón creado crea un antiprotón, por cada electrón un positrón, por cada Hidrogenó un anti Hidrogenó. En 1995, el CERN anunció la creación de nueve átomos de anti Hidrógeno en el experimento PS210, liderado por Walter Oelert y Mario Macri, y el Fermilab confirmó el hecho, anunciando poco después la creación a su vez de 100 átomos de anti hidrógeno.
El 17 de noviembre 2010, los científicos del CERN lograron crear 38 átomos de anti Hidrógeno, pudiendo preservarlos aproximadamente en un sexto de segundo (172 ms). Esto forma parte del proyecto ALPHA que incluye físicos de la Universidad de California, de la Universidad de Berkeley y del Lawrence Berkeley National Laboratory. El equipo de científicos demostró que, entre 10 millones de antiprotones y 700 millones de positrones, se lograron formar 38 átomos estables de anti Hidrógeno, los cuales, duraron alrededor de dos décimas de segundo cada uno. A comienzos de 2011 el proyecto ALPHA logró crear más de 300 átomos de anti Hidrógeno y almacenarlos durante 1000 segundos (16 minutos y 40 segundos), superando en 4 órdenes de magnitud el límite previo. Posibles Aplicaciones. 1.- Motor de combustión interna con antimateria. Los motores de gasolina tienen un sistema que emplea explosiones controladas para impulsar los vehículos. El sistema consiste en una serie de cámaras dispuestas para que explosiones de gasolina ocurran, la forma en la que los motores de gasolina funcionan es en 4 fases: 1. Tiempo de admisión - El aire y el combustible mezclados entran por una válvula. 2. Tiempo de compresión - La mezcla aire/combustible es comprimida y encendida con una bujía. 3. Tiempo de combustión - El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo. 4. Tiempo de escape - Los gases de escape se conducen hacia fuera a través de otra válvula. El pistón que es impulsado en los motores alimenta un cigüeñal que le da potencia a las ruedas en un auto. El sistema de antimateria sería algo similar, la idea es que con el mismo tipo de trampas electromagnéticas con las que se almacena la antimateria actualmente, se cree un sistema de inyección de antimateria en otra cámara magnética en la que se haga algo similar a los pasos del motor de combustión interna: 1. Tiempo de admisión – La antimateria entra por un ducto forzado por campos magnéticos a una cámara en el vacío donde esperará por materia (Mientras no se hagan pruebas acerca de qué tipo de antimateria, ya sea solida liquida o gaseosa sea mejor combustible, solo podemos suponer que la antimateria entra a la cámara) 2. Tiempo de compresión - La materia entra por otro ducto donde se espera por la señal para que estos se toquen y así inicie un proceso de aniquilación que libere la energía y al igual que en el segundo paso del motor a gasolina estos se compactaran antes de tocarse.
3. Tiempo de combustión – La materia y la antimateria han dejado de existir para formar ahora energía que impulsara un pistón (protegido por un electroimán) que será libre de moverse hacia abajo para dar energía a un cigüeñal. 4. Tiempo de escape – En este paso se deberá expulsar cualquier residuo que quede de la explosión (desconocemos cuales puedan ser) Si los problemas de manufacturación de la antimateria se resuelven al igual que con los diseños de vehículos y de motores eficientes, la tecnología nos permitirá desarrollar este sistema de transporte que podría mover grandes cargas en poco tiempo. Con los caminos correctos, es decir, crear vías que puedan resistir las altas velocidades de las que estamos hablando y darle formas a los trenes de antimateria del futuro. La maravilla de todo esto es que gracias a los estudios de LHC podremos dejar de depender de combustibles fósiles como fuente de energía y así dar un siguiente paso hacia el futuro, pero cuando se habla de tanta energía es necesario hablar de responsabilizarse con su uso moderado. 2.- Transportes espaciales con motores de antimateria Un motor de reacción es una máquina capaz de hacer explotar un combustible de manera controlada y liberarla en una dirección para impulsarse hacia la dirección opuesta (como en la tercera ley de Newton) normalmente estos motores usan reacciones químicas entre hidrocarburos y oxígeno, dado que estos son como imanes que se atraen y en el proceso, sueltan una gran cantidad de energía. Los motores actuales de las agencias de aeronáutica espacial han usado la reacción química entre hidrocarburos líquidos y altas concentraciones de oxígeno líquido para llevar hombres y equipo al espacio, de cierto es que la energía es suficiente para salir de la atmosfera de la Tierra pero no es ni una fracción de la requerida para llegar a otros planetas ni a otras estrellas, seria necesario miles de billones de litros en combustible para hacerlo, la nave sería un punto entre los contenedores que tendrían que llevar el combustible además de otras implicaciones. Por otro lado la antimateria promete tener mucha energía comprimida en un espacio muy reducido, en relación a otras formas de obtención de energía en las reacciones de los materiales que encontramos. Así mismo la antimateria ha demostrado que puede liberar una cantidad nunca antes vista por el hombre y la mejor parte es que se necesita menor cantidad del mismo para equivaler otros combustibles, por lo cual hace que esos grandes contenedores sean cosa del pasado, aunque el tamaño de los futuros motores serán más grande para contener y soportar la reacción que tendría que ser suministrada en pequeñas dosis para no reventar la estructura del casco de la nave.
Tanto los escritores, como los ingenieros ya se están haciendo una idea de cómo se van a hacer las futuras naves que surquen los confines del espacio. Se plantean detalles de diseño, costos, fabricación, manutención, pero todo eso solo será posible si se llega a encontrar una forma de crear antimateria a un costo menor del que tenemos ahora con los colisionadores.
3.- Vehículos que funcionen con la posible anti gravedad de la antimateria. Según algunos investigadores y científicos que estudian a fondo las propiedades de la antimateria, sería lógico pensar que la antimateria tiene propiedades de anti gravedad puesto que al tener características opuestas a la materia corriente debería repeler las influencias en el espacio de la misma. Aun no se entiende muy bien las propiedades o funciones de la misma gravedad, los científicos solo han podido deducir que la gravedad es producto de unas sub-subparticulas llamadas gravitones. El gravitón sería un posible mediador de la gravedad entre partículas, pero aún no se ha definido o encontrado como tal en la materia, solo suponemos su posible existencia, pero lo que sí sabemos es, como influiría de ser real. Al igual que las interacciones de la materia (como la electromagnética, carga/interacción débil y fuerte) la gravedad tiene ciertas funciones y reglas, estas dicen que la materia siempre se va a juntar y unirse, la idea es que la antimateria posee una partícula que es responsable de la gravedad entre antimateria que se llama anti gravitón, así como existen antiprotones, anti quarks y antineutrinos, debería también, existir el anti gravitón. La influencia entre los gravitones y anti gravitones debería ser en que el resultado de dos energías opuestas sea una repelencia mutua, lo que en palabras más simple diría que usando la antimateria se puede alcanzar la anti gravedad. Con esta suposición cualquiera puede imaginar un mundo donde los habitantes del futuro puedan “flotar” controlando estos materiales y estas tecnologías. Nuestras ideas son que se pueden construir dirigibles que al usar estos materiales se eleven en nuestra atmosfera con facilidad y sin invertir mucha energía. Estos tendrían las mismas propiedades que los dirigibles modernos: tendrían un bajo costo de mantenimiento, serian eficientes, podrían permanecer en el aire por mucho tiempo hasta tener que re-cargarse lo que ayudaría a la industria de la construcción de edificios muy altos, como los rascacielos o cualquier otra edificación grande. Pero no solo se piensa en vehículos grandes cuando se descubren nuevos tipos de transporte, todos van a tener la oportunidad de usar esta tecnología como una cosa casual con lo que imaginan desde la era de los “supersónicos”: autos voladores. Solo sería cuestión de tiempo para que los científicos e ingenieros logren producir nuestro material de vuelo a nivel industrial, en masa, para empezar con estos proyectos, en tiempo que nos va a requerir para lograr producir la antimateria a gran escala y a un costo que se pueda concretar sería muy largo pero con la hipótesis de que el hombre podrá romper las barreras de la relación entre la antimateria y la materia normal, nos dicen que la posibilidad de que ingenieros desarrollen autos que tengan la capacidad de flotar sin incluir grandes cantidades de energía para sostenerlo en el aire, nos da la clave del modelo de transporte del futuro.
Otra posible aplicación sería la de manufacturas de cinturones de vuelos personales. La idea es que varios contenedores dispuestos en un cinturón o mochila, contengan en su interior capsulas con nuestro material, que haga elevarse a el piloto de la misma, con estudios y desarrollos de
vuelo así como de la capacitación y medidas de seguridad, el futuro promete una era donde nuevamente el cielo seria el límite. 4.- Armas Esta última idea es una ya contemplada por los escritores de ciencia ficción dado que ya se han visto el poder de destrucción que contiene la antimateria. En la ciencia ficción se expresa esto con el uso de antimateria con bombas de destrucción masiva, puesto que la cantidad de energía que el hombre requiere para crearla es tanta que la relación en masa de la reacción de fisión nuclear con la de reacción materia-antimateria es de 1:10 000 lo que hace a la antimateria un material para posibles usos militares. Las capacidades de aniquilar la materia son terriblemente sorprendentes y la liberación de contenedores de antimateria sería un esquema bastante simple: un tanque y un detonador que haría que se libere la antimateria del tanque creando una suma gran explosión. El uso de antimateria seria como la detonación de una bomba nuclear, sería menos perjudicial para la vida, dado la radiación que libera, pero el efecto tendría una característica simpleza y eficacia al destruir todo lo que toca, y no habría refugio contra eso. Pero esto son palabras mayores dado que todavía hace falta resolver los problemas de producción y contención, pero se espera que se puedan resolver con el paso de los años. Cada día se abren nuevas puertas en el universo dándonos nuevas capacidades, abriendo paso ante las posibilidades. El LHC tiene como uno de sus propósitos, el estudio detallado y producción de antimateria.
Referencias:
http://es.wikipedia.org/wiki/Antimateria#Historia
http://es.wikipedia.org/wiki/CERN
http://www.espacioprofundo.com.ar/verarticulo/Aceleradores_y_Colisionadores_de_Particulas.html
http://alpha-new.web.cern.ch/
http://ific.uv.es/~ferrer/talks-50th/AFerrer-valencia-211004.pdf Particles and forces. At the heart of matter Por: Richard A. Carrigan, JR., y W. Peter Trowel
Comentarios: La enseñanza que se impartió durante mi estancia fue grata y muy útil para conocer las instalaciones de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, específicamente La facultad de ciencias físico matemáticas. La información que obtuve fue muy útil, mas aun que la beca que me fue otorgada, ha sido para mí un privilegio trabajar con el Doctor Javier, hombre sabio que me iluminara con el regalo del conocimiento.
