Antimatèria

L'equació de Schrödinger és una de les "fòrmules estrella" de la mecànica quàntica. Descriu l'evolució temporal dels sistemes quàntics. Seria molt llarg i espinós donar detalls matemàtics de la de la mateixa però sí us diré que si resolem l'esmentada equació aplicada a un àtom, ens surten els famosos números quàntics que generen posteriorment el comportament de l'àtom i la taula periòdica.
 

[@more@]

Doncs bé, hi ha un problema: aquesta equació no té en compte els efectes relativistes. Clàssicament, si comuniquem energia a una partícula, per exemple, un electró, s'accelerarà adquirint velocitats més grans i podria fins i tot superar la velocitat de la llum. Aquest problema ho va atacar allà pel 1929 un impressionant físic-matemàtic anomenat Paul Adrien Maurice Dirac i va obtenir una equació en versió millorada de la de Schrödinger que avui es coneix com Equació de Dirac. (Tant el Dirac com el Scrödinger van guanyar el premi Nobel de Física de 1933).

Aquesta última equació postulava l'existència de certes partícules que tenien energia negativa. Al principi es va menysprear com solució matemàticament possible però sense sentit físic. No obstant això, el Dirac va dir que aquesta solució havia de tenir alguna realitat física. En realitat una partícula amb energia negativa volia dir que, per exemple, en comptes d'anar a la dreta anirà just en sentit contrari. Si la partícula amb energia positiva va cap a dalt, la negativa anirà cap a baix. Aquesta partícula hipotètica d'energia negativa es comportaria, en realitat, igual que una amb energia positiva però amb càrrega oposada. Seria la seva "antipartícula".

La primera partícula que va estudiar el Dirac va ser l'electró. Si la seva antipartícula havia de ser de càrrega positiva, havia de ser el protó, que era llavors l'única coneguda amb càrrega positiva. Havia però, una cosa que no quadrava. La massa del protó és unes 1.700 vegades superior que la de l'electró i l'equació postulava una partícula amb la mateixa massa que l'electró. La partícula que estava tractant havia de ser idèntica a l'electró però amb càrrega positiva. A aquesta partícula el Dirac la va dir "antielectró" o "positró".

La teoria era molt maca i elegant, però no hi havia evidència experimental. En 1932, el Carl Anderson, de l'Institut Tecnològic de Califòrnia, va confirmar la teoria de Dirac en detectar l'existència d'un positró al fer xocar rajos còsmics. Això va fer que la teoria del Dirac tingués molt d'èxit.

I per què no veiem positrons tots els dies? El positró és tan estable com l'electró. Això no deuria sorprendre'ns ja que són idèntics en tots els aspectes menys en la seva càrrega elèctrica. Passa que el nostre món és ple d'electrons. Si un positró apareix per aquests barris té el temps comptat. Millor, les deumilionèsimes de segon comptades i es produeix un curiós fenomen anomenat aniquilació en el qual tota la massa de l'electró i positró es transformen totalment en energia en virtut de l'equació d'Einstein E=mc2.

Les energies implicades en el procés són enormes. Perquè us feu una idea: 1 kg de matèria produiria 1.8×1017 J (segons l'equació E=mc2). Cremar un kilo de petroli produeix 4.2×107 J, i la fusió nuclear d'un quilogram d'hidrogen produeix 2.6×1015 J.

Aquí he de fer un incís. Contra el que molta gent creu, la fórmula d'Einstein E=mc2 no funciona només en les aniquilacions i en els processos nuclears, sinó en tots els casos on hi hagi intercanvi d'energia. És una relació sorprenent, perquè una quantitat molt petita de massa queda multiplicada per un número molt gran: la velocitat de la llum al quadrat; així que petites quantitats de massa poden donar una quantitat d'energia bestial.

En la nostra vida quotidiana també es dóna l'equació E=mc2, el que passa és que les energies implicades són tan petites que la massa necessària per produir-se a geirebé no pot ser mesurada. Per exemple, una bombeta de 10 W emetent 6*109 ergios de llum pesa menys que una que no ho fa, però la diferència de pes és 7*10-12 grams. Un litre d'aigua a 100ºC pesa 10-20 grams menys que la mateixa quantitat d'aigua freda. L'energia total lliberada per una bomba atòmica de 20 kilotons pesa aproximadament un gram.

D'altra banda, segons la mateixa relació E=mc2, massa i energia són equivalents. Si això és veritat, per què no esclaten directament les partícules, es transformen en energia i, per tant, esclata l'Univers sencer? Sabem que els àtoms no es transformen directament en energia i això té la seva explicació. En tots els processos, totes les lleis físiques deuen respectar-se i si alguna es viola (per exemple, no conservar-se l'energia, la quantitat de moviment o la càrrega), l'esmentat procés no és possible. Per exemple, si un protó es transformés en energia respectant l'equació E=mc2 violaria la llei de conservació de la càrrega, doncs al sistema hauria desaparegut una càrrega positiva. Aquest procés, per tant, no es pot donar.

I per què no s'aniquilen protó i electró? En aquest cas, la desaparició de la càrrega positiva del protó quedaria compensada amb la càrrega negativa de l'electró; és a dir, abans del xoc la càrrega total del sistema era 0 (+1 del protó i -1 de l'electró) i després del xoc seguiria sent 0. Però no és així. Resulta que, a part de la càrrega, hi ha altres paràmetres (i números quàntics) que també han de conservar-se. El protó és un barió (té número bariònic +1) i l'electró no té número bariònic. En cas de donar-se aquest procés hauríem violat la conservació del número bariònic. L'única manera d'aniquilar un protó és amb un antiprotó. L'antiprotó, té càrrega negativa i número bariònic -1, de manera que la suma abans de l'aniquilació era nul·la i despréss segueix sent-ho. No s'ha violat cap llei de conservació.

Sapigueu que hi ha una màxima en els físics de partícules, en la que afirmen que "el que no està prohibit, és obligatori". Quan un procés en partícules elementals mai es dóna i els teòrics esperen que es doni, ràpidament proven de trobar una nova llei desconeguda que estaria violant l'esmentat procés o un número quàntic nou desconegut. Així ho han fet sempre i els ha funcionat fantàsticament bé. Curiós, veritat?

Allò dit amb el protó i el número bariònic és anàleg a l'electró i la conservació del número leptònic. Teniu més lleis de conservació en la wikipedia.

Doncs bé, reprenguem els positrons o antielectrons. Hem dit que quan es troben electró i positró s'aniquilen i la totalitat de la seva massa es trasforma en energia. Aquesta aniquilació no és un xoc fatal, sinó que en realitat, durant un temps que oscil·la entre la milionèsima i la deumilionèsima de segon, formen un sistema en que giren al voltant d'un centre de força comú. En 1945, el físic americà Arthur Edward Ruark va suggerir que es donés el nom de "positroni" a aquest sistema de dues partícules, i en 1951, el físic americà d'origen austríac Martin Deutsch va aconseguir detectar-lo. Finalitzat aquesta minúscul lapse de temps es produeix el fatal aniquilament; només queda l'energia en forma de radiació gamma.

El procés invers també és possible: de la desaparició sobtada dels raigs gamma pot donar origen a una parella electró-positró. Ja el Carl Anderson va aconseguir detectar aquest fenomen invers que diem "producció de parells".

El primer antiprotón va ser detectat per l'Emilio Segré i l'Owen Chamberlain (tots dos guanyadors del Nobel de Física de 1959). Aquest Premi Nobel va ser impugnat. Sembla que el Segré li va copiar la idea a l'Oreste Piccioni, encara que aquest afer podem deixar-lo per a una altra història.

Bé, ja tenim l'antielectró (o positró) i l'antiprotón. Un any després, amb l'ús de les mateixes instal·lacions, un altre equip portat pel Bruce Cork va detectar el primer antineutró. Per fer-vos una idea de còm es forma: en ocasions, si fem xocar protó amb antiprotó, enlloc d'aniquilar-se de manera directa, només es freguen lleugerament i pot succeir que en un intercanvi d'energia tots dos neutralitzin mútuament les seves respectives càrregues. El protó es converteix en neutró, i l'antiprotó es transforma en un antineutró.

Ara bé, tal com podem formar un àtom d'hidrogen amb un protó i un electró, és raonable pensar que podríem formar un sistema similar amb un antiprotó al nucli i un positró orbitant sense trencar cap llei coneguda. Seria un àtom de antihidrogen (o un antiàtom d'hidrogen?).

I això ja no és matèria. La matèria està formada per partícules. Això seria antimatèria, formada per antipartícules. Ja s'havia postulat la seva possible existència, però no va ser fins a gener de 1996, quan en el CERN es van aconseguir sintetitzar 11 àtoms del mateix antihidrogen. En presència de matèria només dura 10 segons abans aniquilar-se i transformar-se totalment en energia. Des d'aleshores els experiments s'han repetit i millorat.

Avui dia, si algú troba una partícula nova, ràpidament es busca la seva antipartícula.

Una de les preguntes pendents de la física és la raó de per qué som tot matèria en el nostre Univers i no hi ha la mateixa quantitat d'antimatèria. Si d'una banda, l'única diferència entre matèria i antimatèria és la càrrega elèctrica i suposem que l'Univers va sortir d'una potent explosió, el Big Bang, la pregunta és per què existeix tanta matèria i tan poca antimatèria? Per què aquesta diferència? I si no fos així, seria possible l'existència de antiplanetas, antiestrelles o antigalaxias d'antimatèria … fins i tot anti éssers humans? La veritat és que si existissin i s'aniquilessin amb la matèria haurien d'emetre moltíssima energia que podríem detectar. Sabent que electró i positró s'aniquilen generant radiació gamma de 0,511 MeV, buscaríem radiació amb aquesta energia. I si el que s'aniquilen són galàxies, hauríem d'observar xorros enormes d'ells. Mai s'ha detectat el que s'esperaria d'un procés semblant. És una de les grans preguntes que encara són a l'aire.

Si creieu que tot això no té cap utilitat, sapigueu que si alguna vegada us feu un TAC amb contrast o millor dit un PET (Positron Emission Tomography o Tomografia per Emissió de Positrons), estareu tenint positrons i les seves corresponents aniquilaciones a l'interior del vostre cos. Però podem deixar els TAC, PET i imatges mèdiques per a altres històries.

I tot va sortir de l'equació del Dirac. En la conferència de Solvay de 1961 estava assegut el nostre heroi i va arribar el Feynman que es va asseure enfront d'ell. Aquest últim va estendre la mà i va dir:

– Jo sóc en Feynman.

El Dirac va estendre la seva:

– Jo sóc en Dirac.

Sembla que era la primera vegada que es presentaven formalment. Es va produir un moment de silenci que, per part del Feynman, va ser bastant notable. Com un escolar en presència del mestre, li va dir a Dirac:

– Ha de sentir-se molt satisfet per haver inventat aquesta equació".
– Però d'això ja fa molt temps – va respondre el Dirac.

Es va produir un nou moment de silenci. Per rencar-lo, el Dirac va preguntar al Feynman:

– En què està vostè treballant ara?
– En teories sobre el mesó.
– Tracta vostè trobar una equació similar?
– Això seria molt difícil.
– Però un ha de provar de fer-lo! – va dir per fi Dirac amb veu ansiosa.

Sembla que pel Dirac, al contrari que per a la resta dels mortals, trobar equacions era senzill. Un home que va ocupar la càtedra lucasiana que al seu moment va ocupar el Newton i avui el Stephen Hawking havia de ser excepcional. La seva personalitat i molt curiós caràcter ho deixarem per a la nostra propera història.

 
Fonts:

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Una resposta a Antimatèria

  1. Una altra entrada d’aquest blog imprescindible que és històries de la ciència, en aquest cas tractant el tema del descobriment de l’antimatèria, com sempre entenedor i didàctic i molt amè

Els comentaris estan tancats.