martes, 10 de enero de 2012

12- El problema de la Antimateria





12-EL PROBLEMA DE LA ANTIMATERIA-

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"Por qué es la naturaleza tan casi simétrica."

Richard Feynman


                Aunque la Gran Explosión es un hecho ampliamente comprobado, y su justificación teórica está asegurada según datos experimentales y cálculos astrofísicos rigurosos, hay, como en toda teoría (ésta no iba a ser una excepción) compleja, algunos puntos oscuros de difícil desentrañamiento, que, sin embargo, hay que analizar por ser esenciales para una comprensión más profunda de los sucesos que jalonaron la evolución del universo.
                En 1932, Carl Anderson, que en aquella época era un joven perteneciente a la facultad del Instituto Tecnológico de California, descubrió mientras realizaba estudios en una cámara de niebla, un nuevo tipo de partícula que dejó su trazo en una placa. Esta partícula, cuya existencia había sido predicha por Dirac hacía lustros fue bautizada con el nombre de positrón. Posee la misma masa que el electrón, pero, al revés que éste, tiene la carga positiva en lugar de  negativa. Anderson acababa de descubrir la antimateria, uno de los ingredientes fundamentales en la historia evolutiva del universo y por ello fue galardonado con el premio Nobel de física (junto a Dirac) en 1936, con lo que pasó a ser el único hombre que ha recibido ese premio antes de ser profesor permanente de su universidad. La característica más importante del positrón es que se aniquila si entra en contacto casual con un electrón. Por supuesto, este último también se aniquila. Dado que para cada partícula existe la correspondiente antipartícula, los procesos de aniquilación que hemos descrito en el caso del par electrón-positrón pueden tener lugar de manera análoga, en el caso de otros tipos de partículas. Por ejemplo, existe un antiprotón que tiene la misma masa que el protón, pero con una carga eléctrica negativa en lugar de positiva. Los pares protón / antiprotón pueden ser creados por fotones de alta energía y aniquilarse cuando ambos, partícula y antipartícula, se ponen en contacto. La importante cuestión de por qué estamos rodeados de partículas (incluso estamos compuestos de ellas) y son tan escasas las antipartículas no podemos pasarla por alto, y hemos de ver que tiene su explicación en lo que ocurrió en las fases más tempranas de la expansión cósmica.
                Uno de los hechos más sorprendentes, al que es muy difícil encontrar una  explicación enteramente satisfactoria, es precisamente la notable escasez de antimateria. Nuestra galaxia, y muy probablemente todas las galaxias de nuestra región, están compuestas de materia. La masa material de la Tierra está formada principalmente por protones y neutrones, que, a su vez, están formados por quarks. Hay una carencia casi absoluta de antiprotones o antineutrones, hechos de antiquarks. Eso quiere decir que nuestro planeta es un ejemplo típico de los grandes cuerpos espaciales. Sólo existe en ella materia. La antimateria se produce en cantidades ínfimas en procesos de colisiones naturales o artificiales. Esta aparente falta de equilibrio en la naturaleza se conoce como problema de la escasez de antimateria. ¿Es que el universo empezó existiendo con más materia que antimateria? o ¿es que en el universo hay una preponderancia aparente de materia sobre antimateria? En la secuencia de aniquilaciones desequilibradas que hubo en tiempos remotos, puede estar la clave escondida que nos permita dar una respuesta satisfactoria a esos interrogantes que han intrigado durante decenios a muchos cosmólogos.     
                                    Sobre la base de los consabidos casi tres grados Kelvin del universo de hoy, podemos extrapolar la temperatura y densidad del mismo hasta cualquier momento del pasado, por ejemplo, hasta una millonésima o una milmillonésima de segundo después del inicio del tiempo, e incluso, hasta el momento exacto de la creación o singularidad. Según estudios teóricos, la energía del universo estaba concentrada en un volumen (considerada la escala de observación y percepción humanas) tan pequeño como la "punta de un alfiler" y su temperatura y densidad eran infinitas. Ambos datos disminuyeron a lo largo del tiempo en relación con la expansión cósmica y aquí estamos nosotros para atestiguarlo. Bien, pues las leyes de la relatividad y de la mecánica cuántica, nos dicen que el intenso campo de energía era capaz de crear partículas elementales, como electrones y quarks, que se emparejaban con sus correspondientes antipartículas. Por su parte, esas parejas de partículas / antipartículas colisionaban y se aniquilaban mutuamente, integrándose otra vez en el mar de radiación. En cualquier momento de los primeros segundos transcurridos desde el inicio explosivo del universo, había una "sopa" de radiaciones y partículas elementales que se creaban y destruían. Cuanto más caliente estaba, más masa tenían las partículas que podían crearse. Así, dado que la masa del protón es unas 1.836 veces la del electrón, la temperatura del universo tuvo que ser mucho más alta para permitir la creación de pares protón / antiprotón mucho antes de que se alcanzase el punto correspondiente para electrón / positrón. Por tanto, fue preciso que hubiera una secuencia de aniquilaciones sucesivas correspondiéndose con cada uno de los distintos pares de partícula / antipartícula. Lógicamente por cada partícula que se creaba o destruía, también tenía lugar un proceso análogo para una antipartícula. Así, cuando este universo tenía la edad de un milisegundo, se cree que quedó establecido para siempre el equilibrio entre materia y antimateria.  Para entonces la temperatura del universo había descendido hasta 10¹(diez elevado a diez grados centígrados). Justo a esa temperatura es cuando adquieren validez las teorías físicas al uso.
                Esto no era una mera especulación teórica. En 1971 se demostró la posibilidad real de la existencia aislada de estructuras complejas de antimateria, en forma estable. Un equipo de investigadores de la antigua Unión Soviética, dirigido por Prokoshkin, detectó la presencia de antihelio-3 mediante el sincrotón de Serpukov. Se trataba de átomos en torno a cuyo núcleo, formado por dos antiprotones y un antineutrón, giran dos positrones en vez de dos electrones como en el helio corriente. Por eso, aunque nuestra galaxia y todas las del grupo "local" están constituidas de materia, algunos físicos y astrónomos sugirieron la idea de que tal vez algunas de las galaxias que se iban descubriendo estuvieran constituidas íntegramente de antimateria. Trasladando a escala cósmica lo que ocurre al producirse la colisión de un electrón y un positrón, se concibe que el choque de dos galaxias integradas por estrellas y nebulosas difusas de carácter antitético pudiera traducirse en un cataclismo del que resultase energía pura, en forma de radiación cósmica de increíble y devastadora potencia.
                Sin embargo, los datos parecen indicarnos que la Gran Explosión, fue un fenómeno desequilibrado casi desde el principio. En él la materia salió ganando en detrimento de la antimateria, por lo que sabemos. En cierto modo, esto tenía que ser así, ya que un universo compuesto de materia y antimateria no es concebible por su violenta inestabilidad. Podría tal vez, soslayarse ese problema, si las galaxias compuestas de materia y las compuestas de antimateria estuviesen lo suficientemente alejadas como para no entrar en contacto, pero son pocas las hipótesis de los astrofísicos que se encaminan por esa vía. En el laboratorio cada partícula que se crea viene acompañado de su correspondiente antipartícula, de manera que por nuestra tendencia a creer en las perfecciones de una supuesta simetría natural, deberíamos esperar que el universo fuera una mezcla de materia y antimateria al cincuenta por cien, siempre haciendo la salvedad, de que la presencia de una excluye radicalmente la otra, pues no pueden "convivir". El problema de la antimateria, es más bien el problema de la distribución de la antimateria con relación a la materia y sólo puede ser enfocado de dos formas: o había una preponderancia de la materia sobre la antimateria cuando la Gran Explosión entró en la era de las partículas, o bien la antimateria del universo naciente se segregó de alguna manera de la materia. En este último caso, se aventuró la hipótesis de que algunas de las galaxias más lejanas podrían ser de hecho, antigalaxias, con lo que en el universo actual coexistirían "mundos" y "antimundos". Esa supuesta coexistencia estaría justificada por un reparto equitativo de materia y antimateria en el universo y por las enormes distancias cósmicas que les separasen (o les unieran), no interfiriéndose entre sí. A escala hipercósmica y desbocando un poco nuestra imaginación los mundos materiales y los mundos antimateriales podrían incluso estar interpenetrados, aunque no tanto como para perturbarse mutuamente. Lo que los científicos tienen muy claro es que puede haber galaxias con protones y neutrones y antigalaxias con antiprotones y antineutrones pero tiene que ser lo uno o lo otro: no puede haber una mezcla dentro de la misma galaxia, pues en ese caso sería fácilmente observable una gran cantidad de radiación producida por las aniquilaciones.
                La cuestión polémica previa seguía siendo, pues, si había habido un desequilibrio en el punto postexplosivo de un milisegundo y eso configuró la evolución posterior del universo, o había una distribución equitativa de la materia y la antimateria, que de alguna forma y a primera vista, escapaba de la comprensión general de los científicos. En el modelo estándar más primitivo, se creía que el universo tenía relevancia científica a partir de una centésima de segundo de edad y su temperatura era de cien mil millones de grados Kelvin. Por encima de esa temperatura, los físicos de partículas no se atrevían a aventurar hipótesis pues no conocían lo suficientemente bien el desarrollo de las fuerzas de la naturaleza y eran todavía incapaces de predecir como se influían mutuamente las partículas que se creaban. Sí se sabía, que a esa "avanzada" edad el universo tenía una densidad cuatro mil millones de veces superior a la del agua de mar. El juego de creaciones y aniquilaciones se producía en un caldo de electrones, positrones y partículas sin masa llamadas neutrinos que, al colisionar y aniquilarse, desencadenaban nuevas formaciones junto con contingentes mucho menores de protones y neutrones que habían sobrevivido a procesos anteriores y más calientes de creaciones y aniquilaciones.
                En pocos segundos, la temperatura del universo bajó a "tan sólo" tres mil millones de grados Kelvin, y ya era demasiado fría para permitir la formación de electrones y positrones. En consecuencia, su número empezó a disminuir drásticamente. Las aniquilaciones se siguieron produciendo sin que fueran compensadas por las creaciones. Esto tuvo una trascendencia verdaderamente notable en la marcha del universo, puesto que se produjo una enorme desaparición de partículas. Del hervidero original de electrones y protones, sólo una partícula entre mil millones sobrevivió a los catorce segundos de edad del universo. De manera que todo lo que contiene éste, en su interior se puede considerar una fracción ínfima de lo que contuvo en su remoto pasado. Después de la gran traca final en el multiproceso de aniquilación / creación, en términos de masa y energía, el universo se había depurado tanto que se había reducido a radiación pura, quedándose casi en nada comparado con lo que había sido. Esta circunstancia tan ostensible, hizo suponer a los científicos que era poco lógica la existencia de materia y antimateria sobreviviente en una relación de mitad por mitad, pues lo razonable era que se hubieran aniquilado entre sí, casi por completo, dejando sólo radiación y una porción muy escasa de materia. Así que, de momento, imaginaron que hubo de haber un pequeño exceso de electrones sobre la cuantía de antielectrones y de quarks sobre antiquarks que sería suficiente para que el universo conservara una masa-energía capaz de evolucionar en el sentido que conocemos. Para ello era preciso, que cuando el universo tenía 10-³(diez elevado a menos tres) segundos, se produjeran ciertas "inhomogeneidades", si se quería dar cuenta o explicación de que millones de años después, la formación de las primitivas galaxias y estrellas tuviera lugar. ¿Pero, que clase de inhomogeneidades eran esas? ¿Por qué debería suponer esto la existencia de más partículas que antipartículas?, o si se quiere, ¿más quarks que antiquarks?
                La mente, por lo general y como hemos dicho ya, suele atribuir una gradación de perfecciones en la naturaleza, unas veces en un sentido pitagórico, como en el caso de la simbología numérica y otras, en un sentido platónico, v. g.: las figuras geométricas (a ese respecto es singular el caso del circulo) y la conservación de las simetrías. No se sabe por qué el círculo es "más" perfecto que el cuadrado (tal vez, porque se considera imposible la "cuadratura del círculo", y antes son capaces de concebir lo contrario: "la circularización del cuadrado") ni por qué la conservación de la simetría es un requisito indispensable para pertenecer al irreprochable y excelso mundo de las Ideas. Cierto que en el mundo físico y en la ley natural las simetrías son frecuentes e incluso predecibles. Pero algunas constataciones, como por ejemplo, que la carga eléctrica o la energía se conservan, posibilitan la creencia infundada en la generalización del propósito de la naturaleza de restaurar y mantener simetrías en cada punto del espacio. Así, cuando se buscan soluciones a las ecuaciones de la física, se suele querer hacerlas encajar en las simetrías matemáticas que estas ecuaciones perfilan o describen, sobre la base de un ideal de belleza clásica. Pero muchas veces, la naturaleza no discurre según el apriorismo de las ecuaciones matemáticas que informan la física. Y este es un caso muy notable en el que la belleza de las cosas ciertas, permite desechar al intelecto la impostura de la belleza preestablecida o guiada por criterios exclusivamente éticos, estéticos o incluso religiosos.
                En definitiva, las leyes de la física no son exactamente las mismas para las partículas que para las antipartículas. Las supuestas "inhomogeneidades" provocadas por "algo" (algunos imaginaron que podían ser provocadas por "alguien") en el modelo estándar  primitivo, eran un intento teórico de justificación o recomposición de una simetría, ya que parecía inconcebible que el universo hubiera perdido un elemento de perfección, o mostrase una carencia tan notoria de proporción simétrica interna. Y es que en física, una simetría es sólo un aspecto de un sistema que puede alterarse cuando dicho sistema se transforma, (cosa muy común en la naturaleza) pero que no sucede en las sublimes matemáticas.
                Hasta 1956 se creía que las leyes de la física eran tan simétricas entre pasado y futuro, como entre derecha e izquierda. Se suponía que había tres simetrías independientes, reunidas en un teorema fundamental de la simetría, conocido por teorema CPT. La simetría C indica la carga eléctrica (positiva o negativa) y significa que las leyes son las mismas para las partículas que las antipartículas. La simetría P, la paridad (izquierda o derecha) implica que las leyes son las mismas para una situación cualquiera y para su imagen especular. La simetría T, el tiempo (progresivo o regresivo) significa que si invirtiéramos la dirección del movimiento de todas las partículas y antipartículas, el sistema volvería a ser igual a como lo fue antes: en resumen, y generalizando, en todo proceso natural, si las tres simetrías son sometidas a inversión, se obtendría un proceso natural, que podría darse y sería idéntico en todos los demás aspectos al proceso primitivo. Necesariamente, las partículas "tenían" que ser simétricas con las antipartículas, debido a que se creía que las leyes eran las mismas en las direcciones hacia "atrás" y hacia "adelante" en el tiempo. La inversión temporal de los físicos no quería decir nada más, que era la inversión del sentido en que se mueven las ondas o las partículas. Una inversión en la CPT  equivaldría a que  todas las cargas eléctricas de cualquier objeto, ya sea una mesa o una galaxia, cambiasen de signo convirtiéndose así en "antiobjetos" como, por ejemplo, "antimesas" o "antigalaxias". Los "antiobjetos" serían idénticos a los objetos, excepto por la inversión de su carga eléctrica. Eso reforzaba la idea de que las leyes fundamentales de la naturaleza eran indiferentes al sentido de progresión del tiempo.
                                  Pero en 1956 las cosas empezaron a cambiar de manera un tanto brusca. En esa fecha dos físicos estadounidenses de origen chino, Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang sugirieron la no conservación de la paridad en la interacción débil, es decir, que esta clase de fuerza, no tendría de hecho, la simetría P. Esto se traduce en la práctica, en que la interacción débil sería capaz de hacer que el universo evolucionase de un modo distinto a como lo haría la imagen especular del mismo. En el transcurso del mismo año, la doctora Chien Shiung Wu, logró probar que la idea de sus colegas era correcta. Lo consiguió situando núcleos de átomos radiactivos en un campo magnético, alineándolos de tal forma que girasen en la misma dirección. Eso le permitió observar que se liberaba una apreciable mayor cantidad de electrones en una dirección que otra.
                El descubrimiento de la violación del principio de paridad, además de haber servido para conceder el premio Nobel del año siguiente a Lee y Yang provocó cierta conmoción. Por si fuera poco, se encontró también que la interacción débil no poseía la simetría C, lo que provocaba más incertidumbre todavía. Pero la simetría global del universo quedó restablecida momentáneamente al descubrirse que la inversión de paridad ha de ir acompañada de inversión de carga. Parecía, pues, que ese requisito se cumplía en la interacción débil, que sí poseía la simetría combinada CP. Según eso, seguía siendo posible todavía que existieran galaxias compuestas de antimateria idénticas en todos los aspectos a nuestra galaxia, excepto en que se mostrarían invertidas respecto a ella por el imaginario espejo formado por las simetrías C y P combinadas, capaz de trasponer al unísono los signos de las cargas y la paridad.
                Sin embargo en 1964 se realizó un experimento por un grupo de físicos de Princeton, que estaba dirigido por James W. Cronin y Val L. Fitch, y descubrieron que la simetría CP tampoco se conserva cuando se producen desintegraciones de determinadas partículas denominadas mesones-K. Aproximadamente una de cada quinientas veces, el mesón sin carga eléctrica K-2 se descomponía en dos mesones pi de cargas opuestas, en lugar de tres mesones pi como estaba previsto. Ese pequeño "detalle" permitió comprobar que cuando el mesón neutro K-2 con un estado de CP igual a -1 se descomponía en dos mesones pi  de CP igual a +1 se violaba la invarianza de CP. Esto tuvo mucha trascendencia, pues si en muchas interacciones no se conserva necesariamente la simetría CP, al contemplar la hipótesis de que la simetría CPT sí se conserva, la violación de la invarianza de CP implica la violación de T. La conclusión que se extrae es que las leyes de la física cambian cuando se invierte la dirección del tiempo, pues no poseen la simetría T. O, al menos, parece que no existen métodos convenientes para poder conservar la simetría especular CP sin tener que combinarla con una T de carácter asimétrico.
                Ciertamente, aunque no haya pruebas claras de que un microsuceso no pueda darse también marcha atrás, sabemos que el universo primitivo no poseía la simetría T. Conocemos un universo expansivo en el que el tiempo avanza. Conforme a la lógica del universo expansivo en el que hay fuerzas que no siguen la simetría T, podría haber ocurrido, que en el pasado, esas fuerzas convirtieran más positrones en quarks que electrones en antiquarks. Al expandirse y enfriarse el universo, el exceso primario de quarks sobre antiquarks debió tener una influencia decisiva en la conformación material del universo que conocemos, cuando ambos pares de partículas antitéticas se aniquilaron.
                La obsesión por la simetría de la ciencia occidental ve una clara objeción que hacer a estos hallazgos, realizados generalmente por investigadores de origen asiático (cosa que no es meramente casual, pues están más habituados a pensar en las inexactitudes -que no imperfecciones- ocultas del universo) y es que, suscitando otros planteamientos, pudiera haber aspectos más sutiles relativos a simetrías menos evidentes. Como las confirmaciones son únicamente cualitativas, pues no se puede predecir qué número de quarks sobrevivirían teóricamente a la aniquilación con sus correspondientes antipartículas, el estado de la cuestión quedaría replanteado a tenor de diversas opciones. La violación del principio de conservación de CP, y muy probablemente de T conduce directamente a la primera posibilidad, y quizá, la más radical: que el universo no contenga galaxias de antimateria. Una segunda opción contempla la posibilidad de que las galaxias antimateriales, formen parte también de la macroestructura del universo, pero en ellas, ciertos microacontecimientos se producirían con inversión temporal, o séase, los movimientos se desarrollarían en sentido contrario con relación a los mismos microsucesos acaecidos en una galaxia cualquiera, mientras que todos los macroacontecimientos se desarrollarían con el mismo sentido habitual que nos es familiar en nuestro planeta. Pero, a diferencia con la obra de Lewis Carroll en la que Alicia atraviesa un espejo que se vuelve inconsistente, penetrando en un mundo del revés, nosotros no podemos hacerlo casi ni con la imaginación. Solo unos hipotéticos habitantes de esos mundos del revés, podrían hacer un experimento que confirmase la violación de CP. Si su resultado concordara exactamente con lo que en nuestro mundo material sucede, el planeta de su mundo estaría compuesto de materia. Si no sería de antimateria. Pero, ¿cómo podrían comunicárnoslo? ¿Tendrían que atravesar un espejo al estilo de la traviesa, aunque al parecer, encantadora Alicia? ¿Estaríamos legitimados para pedirles a esos habitantes que nos iluminasen sobre las características de su mundo del revés, sin que nosotros hiciéramos otro tanto sobre las características del nuestro? ¿Hay un camino posible para establecer esa comunicación? ¿Si lo hay, es de ida y vuelta? En fin, todo ello es demasiado fantástico y especulativo cómo para seguir esa vía de estudio.
                Más delirante es todavía la tercera opción: en ella se contempla la posibilidad de que haya galaxias compuestas de antimateria, en las que todos los acontecimientos macro-microscópicos estén retrogradados con respecto a la "flecha del tiempo" vigente en nuestro mundo habitual. En ese caso, dos galaxias podrían ser idénticas excepto en que podrían estar en inversión temporal recíproca. Pero lo que nos sugieren las ecuaciones matemáticas, una vez más, no nos aclara mucho sobre la naturaleza del tiempo. Pues ¿qué significado tiene decir que una galaxia evoluciona según una dirección temporal, y su imagen especular lo hace en otra? Además, cómo nos sugiere Martin Gardner, "¿Hay tan sólo una flecha temporal, o hay muchas? Si son muchas, ¿qué relación tienen unas con otras?"
                 Lo que es innegable, es que el universo que conocemos es expansivo y eso marca claramente la diferencia. Cuando el tiempo avanza el universo se expande; si el tiempo retrocediera, el universo se contraería. Pero esta última consideración no hace al caso, y eso ya nos da una pista muy importante para admitir que un desarrollo asimétrico del universo desde sus comienzos, tiene que influir muy diversificadamente en determinados aspectos sutiles e importantes de sus inacabables procesos de estructuración. El espejo de “Alicia” no puede ser tomado en un sentido mera y necesariamente abstracto, pues en el CERN se ha logrado medir recientemente las reacciones químicas de hidrógeno antiprotónico, un objeto formado por un antiprotón y un protón, que llaman protonio. Si esto “hace al caso”, habría que elaborar un teorema de compatibilidad / complementariedad, que diera buena cuenta de este interesante fenómeno.
Casi todos los símbolos más importantes de la cultura occidental son perfectamente simétricos, como si prefigurasen la existencia de un mundo ideal y trascendente en la Tierra, reflejo de las más altas perfecciones celestes. Pero si nos fijamos en el símbolo enantiodrómico más difundido de la rica y sofisticada cultura oriental, el Yin-Yang, vemos que exhibe una asimetría nada aparente que simboliza el hecho de que en cada parte de cualquier dualidad hay siempre un poco de la otra parte. Esa agudeza mental en la percepción de la lógica del mundo, nos sugiere que toda teoría "verdadera" ha de contener algún componente de otra teoría que no necesariamente debe ser falsa, sino verdadera de otro modo y no necesariamente guardando elementos inequívocos de simetría. Pues, como dice Deleuze en (pagina 81) su Lógica del sentido: “Quizá podamos determinar  ciertas condiciones mínimas  de una estructura en general: 1º) Son precisas al menos dos series heterogéneas de las que una será determinada como <<significante>> y la otra como <<significada>> (nunca basta una sola serie para formar una estructura). 2º) Cada una de estas series  está constituida por términos que sólo existen por las relaciones que mantienen unos con otros. A estas relaciones, o mejor, a los valores de estas relaciones, corresponden acontecimientos muy particulares, es decir,  singularidades <<asignables>> en la estructura: igual que en el cálculo diferencial, donde unas distribuciones de puntos singulares corresponden a los valores de las relaciones diferenciales”.                               

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