La primera molécula de materia y antimateria, creada en laboratorio

Les copio un artículo publicado en Tendencias 21 por Eduardo Martínez

Físicos norteamericanos han creado en laboratorio la primera partícula de materia y antimateria, que en el futuro permitirá penetrar en el núcleo del átomo y posiblemente desarrollar un láser aniquilador de rayos gamma, el arma soñada por los autores de ciencia ficción. Lo han conseguido uniendo dos electrones y dos positrones en una molécula llamada dipositronio, que libera dos veces más energía en forma de rayos gamma cuando se desintegra.

Físicos norteamericanos han creado en laboratorio una molécula de materia y antimateria que, si bien había sido predicha por la teoría, nunca había sido observada. Se trata de una molécula de dipositronio, compuesta de dos electrones y dos positrones, en la que el positrón es el equivalente antimaterial del electrón.

El positronio es un átomo exótico que, una vez creado, se desintegra en menos de 142 milmillonésimas de segundo y se transforma en fotones de alta energía llamados también rayos gamma.

Lo que consiguieron Allen Mills y David Cassidy, de la Universidad de California (Riverside), tal como se explica en un comunicado de esta universidad, es atrapar positrones en una película de silicio y crear simultáneamente una cantidad suficiente de átomos de positronio para que se combinen y formen dipositronio, o moléculas de dos dos positronios, que liberan dos veces más energía en forma de rayos gamma cuando se desintegran. (Una molécula es una partícula formada por un conjunto de átomos ligados por enlaces covalentes o metálicos y su estudio forma parte de la física molecular.)

Este resultado constituye toda una proeza porque, normalmente, cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, como es el caso del electrón y el positrón, forman una pareja que se disuelve enseguida dejando tras de sí otras partículas, como los fotones.

Para conseguir la supervivencia de estas partículas de materia y antimateria, los científicos utilizaron una fina película de silicio, que es la denominación química del mineral de cuarzo.

Primer intento

En un primer intento, cuyos resultados se publicaron en 2005, Allen Mills y David Cassidy, de la Universidad de California (Riverside), establecieron la hipótesis de que moléculas de positrones se podrían formar sobre la superficie del silicio.

Según la teoría, dos átomos de positronio pueden unirse para formar una molécula de dipositronio. Sin embargo, en 2005 este equipo de físicos no pudo crear cantidades detectables de dipositronio porque es muy difícil conseguir los suficientes átomos en el mismo lugar para que reaccionen y formen moléculas.

Dos años después, sin embargo, tal como explican en un artículo publicado en la revista Nature, han podido demostrar la teoría. Utilizaron nanocavidades de silicio para albergar positrones. Una vez en el silicio, los positrones fueron unidos a electrones y formaron átomos de positronio.

Debido a la superficie porosa del silicio, los átomos de positrones vivieron suficientemente para formar moléculas de dipositronio, integradas con dos átomos. Los dos electrones y dos positrones que forman el dipositronio están unidos casi de la misma forma que el hidrógeno molecular.

Superficie de silicio

La superficie del silicio desempeña un papel crucial para la formación de dipositronio, ya que estabiliza las moléculas absorbiendo la energía expulsada cuando se forma la molécula.

Tal como explica al respecto la revista Physicsworld, el dipositronio se detectó observando la aniquilación de electrón-positrón del silicio.

Al contemplar los rayos gamma que se generan durante la aniquilación, los físicos vieron una reducción en el tiempo de vida global del positronio en el silicio, lo cual interpretaron como una prueba de la formación de dipositronio.

Esta observación se consiguió calentando el silicio, que evitó que el positronio se pegara y redujera el número de moléculas de dipositronio. Con el calor del silicio, el tiempo de vida del dipositronio se prolongó.

Próxima etapa: condensado de positrones

El proyecto no termina aquí. La próxima etapa consistirá en utilizar una fuente de positrones más intensa para crear el condensado de Bose-Einstein (BEC) de positrones y el primer “láser de rayos-gamma de aniquilación”. La finalidad última es crear fuentes de rayos gamma de alta energía para estudiar la materia a escala del núcleo atómico.

Cassidy y Mills consideran posible combinar millones de átomos de positrones entre ellos que, al desintegrarse simultáneamente, estos condensados de átomos puedan generar un láser de rayos gamma que concentre una energía un millón de veces superior a la de los láseres actuales.

El condensado de Bose-Einstein es un estado de agregación de la materia que se da en ciertos materiales a muy altas o bajas temperaturas. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental.

El condensado es una propiedad cuántica que no tiene análogo clásico. Debido al Principio de exclusión de Pauli, sólo las partículas bosónicas pueden tener este estado de agregación. Esto quiere decir que los átomos se separan y forman iones. A la agrupación de partículas en ese nivel se le llama condensado de Bose-Einstein.

El BEC de positrones podría conseguirse aumentando la densidad del positronio y enfriándolo a continuación, lo que permitiría utilizarlo para crear un láser de rayos gamma de aniquilación. Los rayos gamma de aniquilación tienen una longitud de onda muy corta, lo que significa que tal láser podría algún día usarse para estudiar objetos tan pequeños como el núcleo de un átomo.

Aplicaciones militares

Estos láseres aniquilares de rayos gamma constituyen por otra parte el arma de destrucción con la que han soñado todos los autores de ciencia ficción. El propio profesor Cassidy ha señalado al respecto que la diferencia entre la potencia disponible en un láser de rayos gamma y un láser normal es la misma que existe entre una explosión nuclear y otra química.

Los positrones se encuentran frecuentemente en las erupciones solares, las emisiones X y gamma de los cuerpos celestes y este descubrimiento refuerza la idea de que el láser aniquilador de rayos gamma no es una utopía y que conseguirlo será únicamente cuestión de tiempo.

Cuando eso ocurra, el cañón láser de rayos gamma formará parte del arsenal de la disuasión y del armamento estándar de los soldados, por lo que es posible que David Cassidy y Allen Mills lleguen a ser tan famosos como los creadores de las primeras bombas atómicas.

Actualmente, la radicación gamma producida por la aniquilación de un electrón que encuentra a un positrón se utiliza en imagen médica: estos fotones gamma permiten estudiar el metabolismo de una parte del cuerpo humano con tomografía por emisión de positrones (TEP o PET scan).