Día de la Antimateria: Desde la teoría cuántica del electrón hasta la Tomografía por Emisión de Positrones.

El 1 de febrero de 1928, Paul Dirac publicó su famoso artículo "La teoría cuántica del electrón" [1], en el cual combina la teoría cuántica y la relatividad especial para describir el comportamiento de los electrones a velocidades cercanas a las de la luz. Pero, ¿qué tiene que ver esta teoría con la antimateria? 

En su teoría cuántica del electrón, Dirac escribió una ecuación que podía tener dos soluciones, así como una ecuación de segundo grado. En su caso, podía obtener como resultado un electrón de energía positiva, y otro de energía negativa. Aquí es donde Dirac predice la existencia de las antipartículas, las componentes de la antimateria. 

Una antipartícula posee igual masa y carga eléctrica opuesta a su respectiva partícula.  Por tanto, Dirac interpretó su ecuación de manera tal que el electrón tenga su respectivo "anti-electrón", o como fue llamado posteriormente, el positrón. Generalizó un poco más, estableciendo que para cada partícula existe su antipartícula correspondiente, de masa idéntica pero de carga opuesta [2]. 

Incluso antes de la predicción teórica de Dirac, en 1929, científicos ya habían  observado una partícula que se comportaba como un electrón, que se curvaba de  manera opuesta en presencia de un campo magnético. Primero, fue Dmitri V. Skobeltsyn quien observó la traza "extraña" del positrón mientras estudiaba rayos cósmicos en una cámara de niebla de Wilson [3]. Luego, Chung-Yao Chao experimentó con la dispersión de rayos gamma en plomo por producción de pares, observando anomalías debidas al positrón [4]. 

Pero el crédito del descubrimiento del positrón se le otorga a Carl Anderson, quien en 1932 también observó en una cámara de niebla trazas de rayos cósmicos y notó que unas trazas parecían ser de electrones, pero se curvaban en direcciones diferentes. A pesar de no tener conocimientos de la teoría cuántica del electrón propuesta por Dirac, propuso la existencia de "electrones de carga positiva". Luego de mucho estudio, se convenció de que dicha partícula era en realidad el "anti-electrón", y le llamó positrón [5]. 

Las otras antipartículas fueron descubiertas mucho tiempo después, ya que se requiere de procesos naturales de altas energías para poder crearlas. Por ejemplo, en los rayos cósmicos y en reacciones nucleares. Es por ello que primero se debía construir una máquina que fuese capaz de generar energías mucho mayores. 

La física de altas energías comenzó con la invención del Ciclotrón, motivada por el  deseo de hallar a la siguiente antipartícula, el antiprotón. En 1934, Ernest Lawrence  patentó el Ciclotrón, un acelerador de partículas cargadas que utiliza un campo 

eléctrico alterno y un campo magnético uniforme [6]. A pesar de no haber observado al  antiprotón con ayuda del Ciclotrón, este fue capaz de formar cientos de elementos  radiactivos artificiales, lo cual le valió el premio Nobel de física a Lawrence en 1939. 

Posteriormente, en 1954, se construyó el Bevatrón, en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. El Bevatrón fue un acelerador de partículas de tipo sincrotrón [7], que aceleraba protones hacia un blanco fijo. Con ello, Emilio Segrè y su equipo diseñaron y construyeron un detector con la finalidad de buscar antiprotones. En  1955 publicaron el artículo "Observación de antiprotones", anunciando el descubrimiento del antiprotón, por el cual Segrè y Chamberlain compartieron el Nobel de Física de 1959 [8]. 

Finalmente, la búsqueda de las antipartículas que componen el átomo llegó a su fin en  1956. El descubrimiento del antineutrón se le otorga a otro grupo de científicos que  trabajaron en el Bevatrón — Cork, Lambertson, Piccioni y Wenzel — quienes publicaron el artículo "Antineutrones producidos por antiprotones en colisiones de intercambio de carga" [9]. 

Entonces, una vez descubiertas las antipartículas que constituyen el "antiátomo", los  físicos quisieron llegar más allá y probar que la teoría de Dirac también aplica a la  antimateria. Esto se comprobó experimentalmente por dos equipos — un grupo  trabajando en el Proton Synchrotron en el CERN, y otro en el Laboratorio Nacional  Brookhaven en Nueva York, usando el acelerador AGS —, los cuales observaron el antideuterón en 1965. El antideuterón es un núcleo de antimateria, compuesto por un antiprotón y un antineutrón [10]. 

Fue un largo camino para llegar a comprobar la existencia de la antimateria, pero así es el proceso de verificar cualquier teoría científica. Requiriendo mucho trabajo y diferentes grupos de investigación para un fin. 

En este viaje por la historia de los descubrimientos referentes a la antimateria, se fue relacionando cada contribución hasta lograr demostrar que el artículo publicado por Dirac en 1928 predijo la existencia de la antimateria, y fue el principal motivador de su búsqueda. 

Hoy en día, es posible generar antimateria. Incluso, el CERN produjo el primer átomo de antihidrógeno en 1995 con el Low Energy Antiproton Ring (LEAR), el cual desaceleraba y almacenaba antiprotones [11]. El átomo de antihidrógeno sigue siendo estudiado por científicos en el CERN en la colaboración ALPHA. 

La existencia de la antimateria no solo nos permite estudiar propiedades fundamentales de la materia, sino que también tiene aplicaciones médicas. Brownell y  Sweet del Hospital General de Massachusetts fueron los pioneros de la Tomografía por Emisión de Positrones (PET), ya que sugirieron el uso de la radiación emitida en el proceso de aniquilación de positrones para mejorar la sensibilidad y la resolución de la calidad de las imágenes cerebrales [12]. 

Los estudios de la antimateria hasta ahora comprueban teorías físicas fundamentales, así como también ha resultado relevante en el desarrollo de técnicas médicas. Sin embargo, los científicos aún no logran entender la asimetría de materia-antimateria en nuestro Universo, y esto sigue siendo una de las preguntas abiertas de la física fundamental [13]. Es por ello que este tema es tan importante para la comprensión del Universo, y cada 1 de febrero la comunidad científica celebra el día de la Antimateria. 

Referencias

[1] Dirac, P. A. M. (1928). The quantum theory of the electron. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 117(778), 610-624.

[2] Antimatter. (n.d.). Extraído el 5 de febrero de 2023  de https://home.cern/science/physics/antimatter 

[3] First Sighting Positron Disregarded. (n.d.). Extraído el 5 de febrero de 2023  de ttps://timeline.web.cern.ch/first-sighting-positron-disregarded 

[4] Cao, C. (2004). Chinese science and the ‘Nobel Prize complex’. Minerva, 42, 151- 172. 

[5] Anderson’s accident | Institute of Physics. Stories from Physics for 11-14 14-16 16- 19 (n.d.). Extraído el 5 de febrero de 2023 de https://spark.iop.org/andersons-accident

[6] Cyclotron. Hyperphysics. (n.d.). Extraído el 5 de febrero de 2023  de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/cyclot.html 

[7] What is a synchrotron? Australian Synchrotron. Australian Government.  (n.d.) Extraído el 5 de febrero de 2023 de http://archive.synchrotron.org.au/synchrotron-science/what-is-a-synchrotron 

[8] Fifty Years of antiprotons. CERN Courier. (20 de abril, 2022). Extraído el 5 de  febrero de 2023 de https://cerncourier.com/a/fifty-years-of-antiprotons/ 

[9] The Bevatron discovers the antineutron. CERN. (n.d.). Extraído el 5 de febrero de  2023 de https://timeline.web.cern.ch/bevatron-discovers-antineutron 

[10] First observations of antinuclei. CERN. (n.d.). Extraído el 5 de febrero de 2023  de https://timeline.web.cern.ch/first-observations-antinuclei 

[11] Storing antihydrogen. CERN. (n.d.). Extraído el 5 de febrero de 2023  de https://home.cern/science/physics/antimatter/storing-antihydrogen 

[12] Medicina nuclear. National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering.  (n.d.). Extraído el 5 de febrero de 2023 de https://www.nibib.nih.gov/espanol/temas cientificos/medicina-nuclear 

[13] The matter-antimatter asymmetry problem. CERN. (n.d.). Extraído el 5 de febrero  de 2023 de https://home.cern/science/physics/matter-antimatter-asymmetry-problem