Ángeles y Demonios – la antimateria

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En la película Ángeles y Demonios (Angels & Demons), la reciente muerte del Papa ha convocado una reunión especial de cardenales en Roma. Mientras tanto, la antigua orden de los Illuminati amenaza con hacerlos estallar utilizando «antimateria» recientemente robada del Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra. En una de las escenas vemos cómo el colisionador fabrica, aísla y almacena la antimateria en lo que parece un termo magnético manual a pilas. ¿Es esto posible, y se podría realmente fabricar una bomba con antimateria?

¿Qué es la antimateria?

En la física moderna, la antimateria se define como la materia compuesta por las antipartículas (o «compañeras») de las partículas correspondientes de la materia «ordinaria». En los aceleradores de partículas se generan diariamente cantidades minúsculas de antipartículas -la producción total ha sido de sólo unos pocos nanogramos (ng)- y en procesos naturales como las colisiones de rayos cósmicos y algunos tipos de desintegración radiactiva, pero sólo una fracción minúscula de éstas se ha unido con éxito en experimentos para formar antiátomos. Nunca se ha reunido una cantidad macroscópica de antimateria debido a su extremo coste y dificultad de producción y manipulación.

En teoría, una partícula y su antipartícula (por ejemplo, un protón y un antiprotón) tienen la misma masa, pero carga eléctrica opuesta y otras diferencias en los números cuánticos. Por ejemplo, un protón tiene carga positiva mientras que un antiprotón tiene carga negativa.

Una colisión entre cualquier partícula y su pareja antipartícula conduce a su aniquilación mutua, dando lugar a diversas proporciones de fotones intensos (rayos gamma), neutrinos y, a veces, pares partícula-antipartícula menos masivos. La mayor parte de la energía total de la aniquilación surge en forma de radiación ionizante. Si hay materia circundante, el contenido energético de esta radiación será absorbido y convertido en otras formas de energía, como el calor o la luz. La cantidad de energía liberada suele ser proporcional a la masa total de la materia y la antimateria colisionadas, de acuerdo con la notable ecuación de equivalencia masa-energía, E=mc².

Las partículas de antimateria se unen entre sí para formar antimateria, al igual que las partículas ordinarias se unen para formar materia normal. Por ejemplo, un positrón (la antipartícula del electrón) y un antiprotón (la antipartícula del protón) pueden formar un átomo de antihidrógeno. Los núcleos de antihelio se han producido artificialmente, aunque con dificultad, y son los antinúcleos más complejos observados hasta ahora. Los principios físicos indican que son posibles los núcleos atómicos complejos de antimateria, así como los antiátomos correspondientes a los elementos químicos conocidos.

Existen pruebas sólidas de que el universo observable está compuesto casi en su totalidad por materia ordinaria, en contraposición a una mezcla equitativa de materia y antimateria. Esta asimetría de materia y antimateria en el universo visible es uno de los grandes problemas sin resolver de la física El proceso por el que se desarrolló esta desigualdad entre partículas de materia y antimateria se denomina bariogénesis.

Partículas exóticas

El CERN acelera y hace colisionar partículas a energías fantásticas para producir todo tipo de partículas exóticas, incluidas las antipartículas. Sin embargo, el tiempo de vida de estas partículas es muy corto: ¡no se puede simplemente embotellar los productos! Habría que aislar la antimateria porque si entrara en contacto con la materia ordinaria se aniquilarían inmediatamente.

En la película, la antimateria (probablemente el antihidrógeno) estaría formada por núcleos cargados, como una especie de plasma. Los plasmas de alta temperatura pueden aislarse con seguridad dentro de un aparato de alto vacío utilizando fuertes campos magnéticos, pero esto es algo que necesita mucha energía y complejos sistemas de vacío. Así que un aparato manual como el que se muestra en la película no es todavía plausible.

Cuando un protón (hidrógeno) se encuentra con un antiprotón (antihidrógeno) se aniquilan mutuamente, convirtiendo su masa en energía mediante la ecuación de Einstein E = mc², donde c es la velocidad de la luz y m es la masa total convertida. Una pequeña cantidad de masa puede producir una gran cantidad de energía, por lo que, si se dispone de suficiente antimateria, podría crearse una gran explosión.

La potencia de la antimateria

En la película se dice que la potencia explosiva de la antimateria robada es de «5 k toneladas» (de TNT), aproximadamente una cuarta parte de la potencia destructiva de la bomba lanzada sobre Hiroshima. ¿De cuánta antimateria estamos hablando?

El TNT se utiliza como estándar en los explosivos y a menudo se emplea para calificar las explosiones nucleares. El TNT se define como la producción de 4,2 x 10⁹ J tonelada-1. Si nos creemos la película obtendríamos una energía total de E = 4,2 x 10⁹ x 5 x 10³ = 2,1 x 10¹³ J, y a partir de ahí podemos estimar cuánta antimateria se necesitaría en la escena.

Si suponemos que toda la antimateria se libera y se aniquila con la materia ordinaria, creando energía, obtenemos

m = E/c²= 2,1 x 10¹³/ (3 x 10⁸)²

= 2 x 10^-4 kg

= 0.23 g.

Como la mitad es materia y la otra mitad antimateria, tendríamos unos 0,12 g de antimateria.

Ahora bien, 1 mol de antihidrógeno o hidrógeno (1 g) contendría el número de partículas de Avogadro, por lo que 0,12 g tendría unos 7 x 1022 «átomos» de antihidrógeno. El volumen del matraz de contención que se muestra en la película parece de unos pocos ml, lo que a primera vista parece razonable. Sin embargo, el CERN estima que sus sistemas de última generación sólo pueden contener 10¹² antipartículas cargadas; millones y miles de millones de veces menos de lo que se supone que contiene el pequeño dispositivo manual de la película.

En la película, toda esta antimateria se produce en los primeros segundos de funcionamiento del gran colisionador de Hadrones. Sin embargo, según el CERN, sólo pueden producir 107 antihidrógenos por segundo; a ese ritmo, se necesitarían 230 millones de años para fabricar la antimateria que se requiere en la película. En definitiva, son buenas noticias para los ángeles y malas para los demonios.

Para más información Hot particles: could you blow up the Vatican with antimatter?

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