¿Existe la antimateria?

En algunas ocasiones la ciencia sorprende profundamente, incluso a sus profesionales más imaginativos. Cuando en 1916 Albert Einstein aplicó la teoría relativista de la gravitación que había completado el año anterior –la denominada relatividad general– al conjunto del Universo, dando así origen a la Cosmología, como disciplina rigurosa, no podía imaginar que el Universo estuviese expandiéndose, por lo que se esforzó por encontrar una solución de las ecuaciones de su teoría que representase un universo en general estático, salvo movimientos locales. Posteriormente, estudiando las posibles soluciones de la cosmología relativista algunos científicos hallaron que existían soluciones que representaban universos en expansión, pero salvo uno de ellos, el astrónomo y abad belga Georges Lemaïtre (1894-1966), ninguno se tomó en serio semejante posibilidad.

Se descubrió que todas las partículas elementales poseen su antipartícula, aunque en algunos casos (como en el “fotón”) partícula y antipartícula coindicen

Hubo que esperar a 1929-1930 para que el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) descubriera que, en efecto, el universo se expande, pero lo hizo observando, estudiando los movimientos de galaxias, para lo cual contó con la imprescindible ayuda del telescopio de Monte Wilson (California), provisto de un espejo de 2,5 metros de diámetro. Algo similar sucede con las denominadas “células madre”, que –como se descubrió a comienzos de la década de 1980– poseen la capacidad de convertirse, al reproducirse (dividiéndose por mitosis), en células especializadas de diversos órganos. La física es una ciencia en la que no es difícil encontrar ejemplos de este tipo. ¿Quién podía imaginar que existiera una radiación –a la que se denominó “rayos X" – con el poder de mostrar detalles del interior del cuerpo humano?

El primer sorprendido fue su descubridor en 1895, Wilhelm Roentgen. Y lo mismo se puede decir de un hallazgo que siguió enseguida a este, el de la radiactividad (Henri Becquerel, 1896). ¿Cómo era posible que algunos elementos químicos –el uranio en primer lugar– emitiesen continuamente radiación, esto es, energía, sin perder aparentemente masa? En ambos casos fue después de estas observaciones cuando se encontraron las explicaciones teóricas de estos fenómenos. La lección que cabe extraer de ejemplos como estos es que la naturaleza, el cosmos, es mucho más “imaginativo” que la más imaginativa de las mentes humanas. Es preciso mirar, observar con cuidado lo que hay “fuera”, intentando no tener ideas preconcebidas.

Hoy quiero tratar de otro de esos descubrimientos sorprendentes e inesperados, pero uno que no surgió de la observación sino de una elaboración teórica. Su responsable fue Paul Dirac (1902-1984), uno de los “padres fundadores” de la mecánica cuántica. En 1928 Dirac consiguió encontrar una ecuación que parecía describir el comportamiento del electrón, que junto con el protón eran las únicas partículas “elementales” conocidas por entonces. La característica más notable de esa ecuación era que se ajustaba a los requisitos de la teoría de la relatividad especial que Einstein había formulado en 1905, requisitos que todos los físicos ya aceptaban que deberían cumplir todas las teorías de la física (la mecánica cuántica de Heisenberg-Schrödinger-Dirac aún no los satisfacía, por eso tenía sus límites). La nueva ecuación que obtuvo Dirac poseía además una serie de propiedades interesantes a la vez que sorprendentes.

La primera es que se deducía de ella que también existían “antielectrones”, esto es, partículas con las mismas propiedades físicas que el electrón excepto una: su carga eléctrica era opuesta (positiva). Pero Dirac no creía que esto fuera posible y lo que hizo fue imaginar que, de alguna manera, la partícula que se deducía de su ecuación era el protón, de carga positiva. Pronto, otros científicos demostraron que no podía tratarse del protón. En este caso no pasó demasiado tiempo hasta que se descubrió experimentalmente esa nueva partícula (a la que se dio el nombre de positrón): en 1931 la encontró el físico estadounidense Carl Anderson (1905-1991) en los misteriosos rayos cósmicos, que habían sido observados por primera vez en 1911 por el físico austriaco Victor Hess.

El descubrimiento del positrón constituyó el primer ejemplo de antipartícula, o antimateria (un nombre no demasiado afortunado, ya que la “antimateria” es, por supuesto, un tipo de materia). Pronto se descubrió que todas las partículas elementales poseen su antipartícula, aunque en algunos casos (como, por ejemplo, la “partícula de la luz” o “fotón”) partícula y antipartícula coindicen. Y esto representaba un serio problema, porque terminó comprendiéndose que, por razones de simetría, en el Big Bang debía haberse producido el mismo número de partículas que de antipartículas. Pero si esto fue así, ¿dónde se encuentran las agregaciones de antimateria: “antigalaxias”, “antiestrellas”…? El problema es aún más grave porque cuando materia y antimateria se encuentran, se aniquilan, produciendo energía de gran intensidad.

Ante la aparente ausencia de estructuras de antimateria en el Universo, los físicos han propuesto algunas explicaciones, asociadas en general a asumir que existen pequeñas diferencias en las propiedades de materia y antimateria; pero la cuestión no está clara, quedando abierta la posibilidad de que, a pesar de todo, puedan existir ese tipo de estructuras. De hecho, esto es lo que acaban de defender tres físicos, Simon Dupourqué, Luigi Tibaldo y Peter Ballmoss, en un artículo publicado el 20 de abril en la revista Physical Review D. Argumentan que la detección en la Vía Láctea –con el Telescopio Espacial Fermi– de catorce fuentes de rayos gamma se ajusta a lo que cabría esperar cuando, atraída por la fuerza de la gravedad, llega materia a la superficie de una antiestrella, instancia en la que se produciría esa radiación gamma.

Todavía queda mucho para que se compruebe si esto es así o no, pero bien podría ser. El Universo no deja de dar sorpresas.