RESPUESTAS DESDE EL CERN

¿Recordáis la entrada “Contactamos con el CERN”? Pues bien, después de un tiempo, el científico español Javier Serrano responde a las preguntas de nuestros alumnos de 2º de ESO, sobre física nuclear.

Agradecemos públicamente a Javier el trabajo realizado, ya que ha podido sacar tiempo para atender a nuestras preguntas, en medio de una agenda realmente apretada.

Hemos pensado abrir una pequeña sección en el Blog, para compartir con vosotros las respuestas de Javier.
La llamaremos RESPUESTAS DESDE EL CERN, y todas las semanas publicaremos tres preguntas-tres respuestas... Ahí van las tres primeras!

1. ¿Qué es la antimateria? ¿Existe de forma natural? ¿Para qué se utiliza?

La materia que vemos todos los días está hecha de tres tipos de partículas subatómicas: los protones, los neutrones y los electrones. Los protones y los neutrones están a su vez compuestos por unas partículas más pequeñas: los quarks.

En particular, un protón contiene dos quarks de tipo “Up” y uno de tipo “Down”. Un neutrón contiene dos quarks de tipo “Down” y uno de tipo “Up”. O sea, que la materia de todos los días está compuesta exclusivamente por electrones, quarks Up y quarks Down. Además de estas partículas elementales, hay otras, como los muones, los tau, el quark Top, etc. También son elementales en el sentido de que no están compuestas por otras (que se sepa hoy) pero son inestables: existen solamente como resultado de procesos como la desintegración, y durante espacios de tiempo muy limitados. Inmediatamente decaen en otras partículas estables.

Aparte de todo esto, cada partícula tiene una antipartícula. Existe el antielectrón, llamado más frecuentemente positrón. También existe el antiquark Up y el antiquark Down. Dos antiquarks Up y un antiquark Down forman un antiprotón.

Lo que se suele llamar antimateria son antiátomos: con un antiprotón y un positrón se hace un átomo de antihidrógeno. Los antiprotones y los positrones son estables, como los protones y los electrones, pero no se observan en la vida diaria por una característica muy curiosa de la antimateria: cada vez que una partícula colisiona contra su antipartícula, se aniquilan, desapareciendo ambas y produciendo energía por la famosa relación E=mc2.

Esto explicaría por qué hoy en día no vemos nada de antimateria en la vida cotidiana, a condición de que hubiera un exceso de materia sobre la antimateria en los primeros instantes después del Big Bang y lo que veamos hoy no sea más que ese exceso, después de que ingentes cantidades de materia y antimateria se hayan aniquilado entre sí.
 
¿Existe de forma natural? Pues sí, tan natural como la materia, pero suele sobrevivir muy poco tiempo. En cuanto un positrón encuentra en su camino un electrón se aniquila y desaparece. ¿Para qué se utiliza? Por ahora la antimateria se produce artificialmente solo en laboratorios como el CERN, con el único objetivo de observarla y comprender mejor la naturaleza. En un futuro, una vez se entienda mejor y se pueda controlar más fácilmente, se podría empezar a pensar en posibles aplicaciones...

2. ¿Qué diferencia existe entre materia oscura y energía oscura?

El Universo se está expandiendo. Esto lo sabemos porque si se mide la distancia entre dos puntos cualquiera del Universo, esta distancia está creciendo continuamente. Es como si viviéramos en la superficie de una esfera y no pudiéramos ver más que las dos dimensiones de esa superficie. Si viéramos que la distancia entre dos puntos cualquiera de esa superficie no para de crecer, tendríamos que concluir que la esfera misma está creciendo. El razonamiento sobre la expansión del universo es análogo pero con una dimensión más.

Por otra parte, sabemos que en el Universo hay mucha masa, y que la atracción gravitacional generada por esa masa debería hacer que, al menos, la velocidad de expansión del Universo decreciera con el tiempo. Esto es porque la interacción gravitacional es siempre atractiva: los cuerpos siempre se atraen. Sin embargo, las observaciones de supernovas muy distantes, hechas desde el telescopio Hubble, nos dicen que la velocidad de expansión del Universo fue menor en el pasado. En otras palabras, que la expansión, contrariamente a lo que uno podría esperar por la interacción gravitacional, se está acelerando. Esto es muy difícil de explicar. De hecho, los físicos actuales no tienen ninguna explicación al respecto. Lo único que pueden hacer es postular alguna razón e intentar descubrir mediante experimentos y observaciones si esa nueva teoría es válida.

La teoría más comúnmente aceptada en la actualidad es que existe “algo” llamado “energía oscura”, que no se sabe bien lo que es pero que hace que el Universo se expanda cada vez más rápido. Esta energía oscura tendría propiedades muy curiosas. Por ejemplo, sería una propiedad del espacio en sí, es decir que cuando se crea nuevo espacio hay una parte de energía oscura que se crea con él, de forma que la densidad de energía oscura no decrece cuando el espacio se expande. Es decir, que estamos hablando de algo que tiene muy poco que ver con la materia ordinaria que vemos todos los días.

 La materia oscura es un poco más fácil de entender que la energía oscura, por lo menos para mí. Si se observa por ejemplo la velocidad de rotación de nuestra galaxia, la Vía Láctea, se ve que es demasiado rápida si sólo se tiene en cuenta la masa de los objetos que vemos. Tiene que haber otros objetos, que no emiten ni absorben luz, que aporten el resto de masa necesaria para llegar a esa velocidad de rotación. 

El razonamiento es parecido al de la energía oscura, pero ahora estamos hablando de un lugar del Universo con límites bien definidos. No hablamos de cuál es el mecanismo de expansión del Universo ni de que cuáles tienen que ser las características de ese nuevo espacio creado. Estamos hablando de nuestro pequeño barrio en el Universo: la Vía Láctea. Todos los métodos de observación de los cuerpos celestes desde la Tierra se basan en la recepción de ondas o partículas de algún tipo. En particular, todos los telescopios ópticos se basan en la recepción de luz de los objetos que estudian. Pero puede haber objetos que por alguna razón no emitan ningún tipo de ondas ni partículas que podamos detectar fácilmente en la Tierra. Y puede que esos objetos tengan la masa suficiente para explicar, entre otras cosas, la velocidad de rotación de la Vía Láctea. Esos objetos, cuya identidad todavía no se ha establecido con precisión, son lo que llamamos “materia oscura”.

 3. ¿De qué está formada esta materia oscura?

No se sabe. Se sabe cuáles son sus efectos gravitacionales, pero no de qué está hecha. Lo que sí se sabees de qué no está hecha: no puede ser materia como la que conocemos (la que forma por ejemplo los planetas y las estrellas), porque esa materia es fácilmente visible desde la Tierra. En general, aunque no emita luz, la materia ordinaria absorbe parte de la luz que la atraviesa, y podríamos detectar las componentes de la luz que faltan al llegar a la Tierra para concluir que hay algo de materia ordinaria entre la fuente de esa luz y nosotros. La materia oscura tampoco puede ser antimateria porque entoncesal encontrar algo de materia ordinaria en su camino se aniquilaría y esa colisión produciría luz quepodríamos detectar en la Tierra y no hemos detectado. Que la materia oscura existe es un hecho aceptado más o menos generalmente, pero por ahora no se sabe de qué está hecha.

Texto: Javier Serrano
Imágenes subidas por: Víctor Vallet