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Ulises y la Ciencia

Desde abril de 1995, el profesor Ulises nos ha ido contando los fundamentos de la ciencia. Inspirado por las aventuras de su ilustre antepasado, el protagonista de la Odisea, la voz de Ulises nos invita a visitar mundos fascinantes, sólo comprendidos a la luz de los avances científicos. Con un lenguaje sencillo pero de forma rigurosa, quincenalmente nos cuenta una historia. Un guión de Ángel Rodríguez Lozano.

Tirachinas de antimateria.

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En los experimentos científicos se utiliza una enorme diversidad de aparatos, cuyo funcionamiento escapa al más común de los mortales. Claro que, para nuestro consuelo, Ulises dice que la mayoría de los científicos que manejan estas sofisticadas máquinas tampoco entiende en profundidad el funcionamiento de cosas de uso diario, como los detalles del carburador de un coche o el interior de un teléfono móvil. Así pues, no debemos preocuparnos.

No obstante, para comprender algo, siempre conviene contar con la ayuda de un experto en la materia. Por esa razón, para entender cómo funciona un acelerador de partículas, y pensando, como siempre lo hace, en los más pequeños de la casa, Ulises no ha dudado en pedir la colaboración de un especialista muy singular: El tío Obdulio.

El tío Obdulio, es un “as” del tirachinas. Una prueba su habilidad es la demostración que hace en el podcast de hoy. Ulises lanza una piedra al aire y Obdulio, con increíble precisión, dispara su tirachinas y la parte en dos. A pesar del éxito, Obdulio no está contento. Dice que envidia la precisión que tienen los científicos que utilizan aceleradores de partículas….

Ciertamente resulta difícil encontrar similitudes entre un humilde tirachinas y un acelerador de partículas. Una cosa es disparar piedras y otra, muy distinta, es utilizar como proyectiles partículas subatómicas porque, al contrario de lo que podría pensarse, para hacer eso último se necesita una máquina inmensamente grande. La mayor de todas, el Large Hadron Collider, que el Centro Europeo de Física de Partículas (CERN) tiene en las cercanías de la ciudad suiza de Ginebra, está considerada como la máquina científica más grande del mundo. Consta de un túnel en forma de anillo de 27 kilómetros de circunferencia, enterrado a más de 100 metros de profundidad. Para su construcción se emplearon alrededor de 300.000 metros cúbicos de hormigón, contiene unos 5.000 inmensos electroimanes, cuatro detectores de partículas que pesan 3.000 toneladas cada uno y un sinfín de computadoras, cables y artilugios electrónicos. Todo eso para hacer circular en su interior dos haces de partículas en direcciones opuestas a velocidades cercanas a la de la luz y hacerlas chocar entre sí. Nada que ver con un tirachinas.

No obstante, algo tienen en común. En ambos artilugios hacen falta proyectiles, sistemas para impulsarlos, objetivos contra los que deben ser lanzados y, sobre todo, razones que los justifiquen.

Vayamos por partes. Los proyectiles utilizados en los aceleradores tienen diferencias fundamentales con las piedras del tirachinas del tío Obdulio. Una es, por supuesto, el tamaño. El tamaño de las partículas utilizadas impide que se puedan manejar los proyectiles individualmente, por eso en un acelerador se lanzan billones, con “b”, de proyectiles a la vez. Otra diferencia es la carga eléctrica. En las piedras las cargas eléctricas está equilibradas, es decir, son neutras. Y dos cuerpos eléctricamente neutros prácticamente se ignoran entre si. En cambio, dos electrones, que son partículas con carga eléctrica negativa, se repelerán con fuerza y un electrón y un protón, que tienen cargas opuestas, se atraen. Con esa atracción se juega en los aceleradores de partículas. Sin embargo, no todos los proyectiles son tan comunes como los protones o los electrones. En los aceleradores más modernos se emplean otros que, por su especial configuración, han sido clasificados como “antimateria”.

¿Qué es la antimateria?

En 1928, un físico teórico inglés llamado Dirac se dedicó a desentrañar el universo con cinco elementos esenciales: lápiz, papel, la relatividad especial, la mecánica cuántica y una mente extraordinaria. Con estos cinco elementos planteó unas ecuaciones matemáticas y de ellas extrajo un resultado sorprendente: Además del electrón, debía existir otra partícula idéntica a él, pero con carga opuesta. La llamó antielectrón. Por supuesto, nadie había visto semejante cosa hasta entonces. Sin embargo, cuatro años después ocurrió un acontecimiento inesperado. Un físico estadounidense llamado Anderson, analizando las trazas que dejaban los rayos cósmicos en un detector, se encontró con una partícula desconocida. Tras las comprobaciones oportunas, concluyó que era la partícula predicha teóricamente por Dirac. Anderson quiso dejar su huella y le cambió el nombre, la llamó: positrón. Años después se encontró la antipartícula del protón: el antiprotón. Y poco a poco se pudo comprobar que cada partícula tenía su compañera en el otro lado del espejo. Nació así un nuevo mundo dominado por la antimateria.

La antimateria es, pues, materia con la carga eléctrica cambiada. Pero hace honor a su nombre: se lleva fatal la materia. Si un electrón se encuentra con un positrón se aniquilan, se convierten en energía electromagnética. Menos mal que en nuestro mundo la cantidad de antimateria es ínfima. Pero si lo habitual entre materia y antimateria es que se destruyan convirtiéndose en energía, también puede ocurrir lo contrario. Si en un punto del espacio se concentra energía suficiente, esa energía puede transformarse, a su vez, en materia y antimateria. Se convierte en pares de partículas de cada clase. Esa es una de las razones por las que en los aceleradores se empeñan en lanzar partículas contra antipartículas tras haberlas hecho alcanzar velocidades cercanas a las de la luz. De esa tremenda colisión surgen en cascada decenas de miles de nuevas partículas que nos muestran las claves íntimas del mundo que nos rodea.

Pero la gran diferencia entre un acelerador de partículas y un tirachinas está en la descripción física del mundo. La trayectoria de la piedra lanzada por el tío Obdulio puede ser calculada con precisión con las ecuaciones de la física de Newton, unas ecuaciones que rigen el movimiento de cuerpos grandes como nosotros. En cambio, las partículas se mueven en un acelerador bajo el reino de la Relatividad y de la Mecánica Cuántica. Alcanzan velocidades cercanas a las de la luz y en esas condiciones cambia la masa, el espacio y el tiempo. Gracias a esos comportamientos podemos utilizarlas para escudriñar los elementos primordiales del Cosmos. Incluso podemos reproducir, a pequeña escala, las condiciones que imperaron al comienzo de los tiempos. Cuando, hace 13.700 millones de años, en el Big Bang, nació el tiempo y el espacio y, con ellos, la luz que ilumina nuestro insaciable deseo de comprender el universo.

(Angel Rodríguez, 06/07/2017)

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