Agosto de 1932: Descubrimiento del positrón
Imagen de la cámara de nubes de Anderson de la radiación cósmica de 1932 que muestra por primera vez la existencia del antielectrón. La partícula entra por la parte inferior, choca con la placa de plomo del centro y pierde energía, como puede verse por la mayor curvatura de la parte superior de la pista.
El creador de Star Trek, Gene Roddenberry, incorporó mucha ciencia real a la que se ha convertido en una de las franquicias de series más exitosas de todos los tiempos. Una de ellas son los motores de materia/antimateria que impulsan al Enterprise, y que le permiten supuestamente viajar a velocidades superiores a la de la luz.
En 1928, el físico británico Paul Dirac demostró que la relatividad de Einstein implicaba que cada partícula del universo tiene su correspondiente antipartícula, cada una con la misma masa que su gemela, pero con la carga eléctrica opuesta.
La caza de la verificación experimental de esta hipótesis estaba en marcha; un postdoc de Caltech llamado Carl D. Anderson ganaría la carrera.
Anderson nació en 1905 de padres suizos en la ciudad de Nueva York. Cuando tenía 7 años, la familia se trasladó a Los Ángeles, y sus padres se divorciaron poco después. Anderson ayudó a mantener a la familia a una edad muy temprana, pero aún así se las arregló para obtener una educación universitaria en Caltech. Al principio quería estudiar ingeniería eléctrica, pero se cambió a la física después de asistir a una clase especialmente inspiradora sobre esta materia. Finalmente, se doctoró en ingeniería física (ahora conocida como física aplicada) en Caltech.
Anderson pasó la mayor parte de su carrera en Caltech. Sus primeras investigaciones se centraron en los rayos X, pero entonces Victor Hess descubrió los rayos cósmicos en 1930. Por consejo de su mentor, Robert A. Millikan, Anderson se dedicó a estudiar esas partículas de alta energía. La mayoría de los científicos lo hacían utilizando cámaras de nubes: un cilindro corto con placas de vidrio en los extremos que contiene un gas saturado de vapor de agua. Si una partícula ionizante atraviesa la cámara, deja un rastro de gotas de agua, que puede ser fotografiado. Midiendo la densidad de las gotas, los científicos pueden deducir la cantidad de ionización producida, lo que indica el tipo de partícula que pasó por ella.
Anderson construyó su propia versión mejorada de una cámara de nubes, incorporando un pistón para poder conseguir que la presión cayera muy rápidamente. También utilizó una mezcla de agua y alcohol en la cámara. Y obtuvo fotografías mucho mejores que sus colegas. Rodeó su cámara con un gran electroimán, que hacía que las trayectorias de las partículas ionizantes se curvaran en trayectorias circulares. Midiendo la curvatura de esas trayectorias, pudo calcular el momento de las partículas y determinar el signo de la carga.
Las fotografías resultantes sorprendieron a Anderson al revelar que los rayos cósmicos producían lluvias de partículas con carga positiva y negativa, y que las cargas positivas no podían ser protones, como cabría esperar, porque el radio de la trayectoria especificaría una distancia de parada del protón mucho menor que la longitud de la trayectoria.
Anderson y Millikan especularon que tal vez las partículas con carga positiva eran electrones que viajaban en la dirección opuesta.
Para probar la hipótesis, Anderson colocó una placa de plomo en la cámara. Cuando las partículas atravesaban la placa, salían por el otro lado con una energía inferior a la que tenían al empezar, por lo que se podía deducir la dirección del viaje.
En agosto de 1932, Anderson grabó la histórica fotografía de un electrón cargado positivamente (ahora conocido como positrón) atravesando la placa de plomo de la cámara de nubes. Se trataba sin duda de una partícula con carga positiva, y viajaba hacia arriba.
A pesar del escepticismo inicial de la comunidad científica, el resultado de Anderson se confirmó al año siguiente, y los científicos llegaron a la conclusión de que el positrón era uno de los pares de electrones positivos y negativos que se producían cuando un rayo gamma se convertía en materia.
Su descubrimiento le valió a Anderson el Premio Nobel de Física en 1936, a la edad de 31 años, la persona más joven en recibir este honor. Los antiprotones -protones con carga negativa en lugar de la habitual positiva- fueron descubiertos por investigadores de la Universidad de California en Berkeley en 1955, y el antineutrón se descubrió al año siguiente. Tendrían que pasar otros 30 años antes de que los científicos crearan los primeros antiátomos.
En 1995, los investigadores del CERN utilizaron el Anillo de Antiprotones de Baja Energía (LEAR) para ralentizar en lugar de acelerar los antiprotones. Al hacerlo, consiguieron emparejar positrones y antiprotones, produciendo nueve antiátomos de hidrógeno, cada uno de los cuales duraba apenas 40 nanosegundos.
En tres años, el grupo del CERN estaba produciendo hasta 2.000 átomos de antihidrógeno por hora.
Eso aún no es suficiente para lograr una propulsión práctica de antimateria. Se necesitarían toneladas de antiprotones para viajar a destinos interestelares, pero las instalaciones del CERN sólo producen suficientes antiprotones en un año para encender una bombilla de 100 vatios durante tres segundos. Y eso sin tener en cuenta las enormes cantidades de energía necesarias para alimentar los intensos haces que producen los antiprotones.
No obstante, en el año 2000 los científicos de la NASA anunciaron los primeros diseños de un motor de antimateria que podría ser capaz de alimentar una nave espacial para un viaje a Marte utilizando sólo una millonésima parte de un gramo de antimateria.
El positrón ha encontrado una aplicación útil: la tomografía por emisión de positrones (PET). Esta técnica de imagen médica utiliza aniquilaciones de baja energía de electrones y positrones para obtener imágenes del funcionamiento interno del cerebro, inyectando núcleos radiactivos en un paciente y observando los pares de rayos gamma resultantes. La energía producida es insuficiente para formar incluso la partícula más ligera y la antimateria y emerge en su lugar como dos rayos gamma.