A la caza de la antimateria

Los científicos creen que el big-bang, la explosión que dio origen al universo, creó tanta materia como antimateria, pero nunca hasta ahora han podido detectar esta última fuera de los laboratorios. Parece estar claro en las partículas subatómicas, que forman los átomos y las antipartículas pueden fácilmente fabricarse en los aceleradores de partículas.

La teoría dice que también las hay en el universo, antiprotones y antineutrones, que formarían antinúcleos, antiátomos (Marcus Chown, New Scientist, 3 de agosto de 1996), y la NASA, en su misión más ambiciosa, se lanza a la búsqueda de esa antimateria. Y para ello necesita el espectrómetro alfamagnético (AMS).

Se trata de un gigantesco espectrómetro de masa, cuya construcción ha costado unos 2.000 millones de dólares y en el que España participa con 8 millones de euros.

Pesa 7,5 toneladas y ha sido construido por unos 500 expertos de 14 países bajo coordinación del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN por sus siglas en francés) en la frontera franco-suiza.

Los científicos del CERN se han visto obligados a pedir ayuda a la Fuerza Aérea de EE.UU. después de comprobar que el dispositivo no cabía en un jet 747, lo que ha causado cierto retraso.

VIDA ANTIMATERIA

Si el AMS, que pasará 20 años trabajando en la Estación Espacial Internacional, tiene éxito y demuestra la existencia de átomos antimateria, querría decir que también puede haber estrellas y galaxias antimateria, incluso vida antimateria, aunque no haría falta llegar tan lejos para confirmar que estaríamos ante "la más grande noticia astronómica de todos los tiempos", según Samuel Ting, físico de partículas del CERN en Ginebra , además de Nobel de Física y científico del Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) de Boston, cuyo objetivo es reunir pruebas de antimateria, materia oscura y otros fenómenos.

Este instrumento, el AMS, es capaz de identificar el núcleo atómico y electrones en rayos cósmicos, que son restos de partículas que continuamente bombardean la Tierra, procedentes en su mayoría del Sol u otras estrellas, pero que también llegan en ocasiones desde fuentes desconocidas, más allá de la Vía Láctea, siendo estas las más energéticas.

El AMS buscará en estos rayos cósmicos núcleos de antiátomos. No resultará fácil. Teóricamente parece demostrado que no hay antimateria ni en nuestra galaxia ni en las más cercanas, de las que nos separan 30 millones de años luz.

Para lograr su objetivo cuenta con uno de los elementos fundamentales de su estructura es el imán superconductor avanzado, cuya electrónica es una de las principales aportaciones españolas, y depende del enfriamiento por vaporización de helio, por lo que el AMS lleva un depósito de 2.500 litros (360 kilos) de helio ultrafrío del que se irían consumiendo 20 miligramos por segundo para mantener el imán a 264 grados bajo cero.

El detector de AMS complementará el enorme acelerador de partículas del CERN, instalado en una cámara subterránea debajo de la frontera suizo-francesa que los científicos emplean para simular las condiciones prevalecientes inmediatamente después de la explosión que dio origen al universo para comprender su composición.

RETRASO

Ideado en los años noventa, se construyó un prototipo del AMS para realizar experimentos durante un par de semanas en 1998 a bordo del trasbordador Discovery y, aunque no encontró antimateria, demostró la viabilidad del experimento en el espacio.

El equipo se volcó entonces en el desarrollo y construcción del detector completo, el actual AMS 2, para ser instalado como módulo externo de la estación espacial. Pero el accidente del Columbia retrasó los planes su lanzamiento llegó incluso a estar aplazado. Fueron necesarias muchas presiones científicas para que la NASA lo haya incluido en el último vuelo del trasbordador.

El día en que amplificaron la luz

El 6 de agosto de 1960 se publicó en la revista Nature un artículo que describía el funcionamiento del primer dispositivo láser. Era la culminación de un trabajo de más de cuatro décadas y el inicio de un nuevo tiempo marcado por una tecnología que hoy está totalmente incorporada a nuestra vida cotidiana.

Sería muy difícil imaginar la vida moderna sin el láser, una tecnología que acaba de cumplir sus primeros y saludables cincuenta años. Aunque buena parte de su desarrollo ocurrió en el terreno de los conocimientos teóricos, hoy en día el láser forma parte de una extensa galería de herramientas, con usos que van desde las prácticas médicas a los procesos industriales. También hay láser en el tiempo de ocio. Por ejemplo, el multifacético dispositivo permite la grabación y reproducción de audio y video en discos compactos, o en los nuevos Blue Ray.

El término láser proviene de una sigla: la de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, o amplificación de luz mediante emisión estimulada de radiación. Desde que se planteó la posibilidad teórica de su construcción, fabricar un dispositivo de este tipo llevó muchos años de investigación y ensayos. Es que cuando hablamos de láser hablamos de luz. Pero –claro está– no de cualquier luz.

DAME LUZ (MONOCROMATICA Y DIRECCIONABLE)

A diferencia de las fuentes convencionales de radiación lumínica, la luz del láser es monocromática, es decir que tiene una sola longitud de onda. Y estas ondas se acoplan ordenadamente con una impecable regularidad. La unión hace la fuerza –y la coherencia– y esta regularidad permite concentrar la radiación y ganar precisión para actuar sobre un sitio determinado. Como si esto fuera poco, además la luz emitida es direccionable: diverge muy poco y puede proyectarse a largas distancias sin que el haz se abra o disemine su energía en un área mayor. Una luz intensa, coherente, monocrómatica y direccionable, pero para nada fácil de obtener. La construcción del primer aparato con capacidad para emitir este tipo de luz no fue un logro puntual, sino más bien algo parecido a una carrera por etapas, en la que se enfrascaron científicos de todo el mundo y que tuvo ingredientes económicos y políticos nada desdeñables.

EINSTEIN ESTUVO AHI

Para bucear en los orígenes del láser, debemos remitirnos –cuándo no, si de física moderna se trata– a Albert Einstein. En 1917 el prolífico científico estudió la propiedad de los electrones de absorber o emitir luz en forma de fotones, pequeñísimas partículas portadoras de radiación electromagnética. Einstein planteó que era posible lograr una emisión estimulada: ni más ni menos que la interacción entre un fotón y un átomo que inicialmente se encuentra en un estado excitado y que cuando pasa a su estado base emite un fotón con iguales características de dirección y de fase que el fotón inicial. Una verdadera amplificación de fotones, a partir del fotón inicial, que originaría una radiación electromagnética coherente. El tema fue retomado en un artículo titulado “Absorción negativa”, publicado en 1924 por Richard Tolman y Paul Ehrenfest, del Instituto de Tecnología de California, que sumaron argumentos teóricos a favor de la coherencia de la emisión estimulada. Cuatro años después Rudolf Ladenburg, investigador de la Universidad Humboldt de Berlín, pasó de las palabras a los hechos. En uno de sus trabajos con gas neón comprobó experimentalmente la factibilidad de la emisión estimulada de luz y su coherencia.

DIRECTO DE FABRIKANT

El experimento de Ladenburg representó un primer y decisivo paso en el camino para la construcción de un dispositivo láser, pero su hallazgo quedó guardado por muchos años en la oscura galería de los conocimientos teóricos, esperando ser rescatado del olvido por algún investigador inquieto. Y fue en los años ’50 cuando, aún sin una aplicación concreta en mente, la ciencia dio revancha a la emisión estimulada de luz. En el tormentoso marco de la Guerra Fría, científicos de uno y otro lado de la Cortina de Hierro se lanzaron a competir en una lucha que abarcaba todos los campos disciplinarios, sin disimular la preferencia por los de interés militar, como la física. Del lado soviético sobresalió la figura de Valentin Aleksandrovich Fabrikant, un físico, matemático y educador que investigaba cuestiones relacionadas con la emisión de luz. En 1951, Fabrikant y un equipo de colaboradores presentaron una solicitud de patente sobre la invención de un nuevo método de amplificación de luz que se extendía a la radiación ultravioleta, infrarroja y a las frecuencias de radio. Todo un hallazgo camino a la construcción de lo que después se conoció como un dispositivo láser. Pero la patente recién le fue otorgada por el Estado soviético en 1959, cuando ya otros investigadores habían usufructuado su trabajo. Fabrikant fue multicondecorado como héroe soviético pero, sin embargo, no pudo disfrutar de las muy capitalistas regalías que la patente de su descubrimiento le habrían proporcionado, y murió en junio de 1991, el mismo año en que la URSS estalló en mil pedazos.

EL MASER DE TOWNES

Tras el hallazgo de Fabrikant, Joseph Weber, de la Universidad de Maryland, propuso su técnica de amplificación de la emisión estimulada y en 1954 los soviéticos Nikolai Basov y Alexandr Prokhorov publicaron un artículo profundizando el tema. En 1953, un equipo dirigido por el físico Charles H. Townes fabricó un dispositivo –pariente cercano del láser– que funcionaba con los mismos principios físicos, pero que en lugar de un haz de luz monocrómatica generaba uno de microondas, que se conoció con el nombre de máser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). El aparato de Townes era en principio bien experimental: tenía algunos problemas de funcionamiento que Basov y Prokhorov se encargaron de resolver. Townes, Basov y Prokhorov obtuvieron el Premio Nobel de Física en 1964 por “los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica” y se ganaron un lugar más visible en la historia de la ciencia que el pobre Fabrikant.

LA ERA DEL RUBI

En este punto la carrera por construir un láser –y patentarlo– se tornó frenética. Intentar construirlo con fondos estatales implicaba someterse a un riguroso control militar e ideológico en un asunto estratégico. Townes se unió a su ex compañero de estudios –que además se había convertido en su cuñado– Arthur Schawlow, de los laboratorios Bell, para construir un láser por fuera del corsé estatal. Varios grupos de investigación en distintos países se sumaron al desafío de fabricarlo, trabajando con el supuesto –sostenido desde los tiempos de Ladenburg– de que los gases serían el mejor elemento para hacerlo. Pero remando contra la corriente predominante, la gran noticia llegaría desde la compañía aérea del millonario Howard Hughes, un archiconocido y excéntrico magnate que se destacó como industrial, constructor de aviones, piloto de riesgo y productor de cine. En sus laboratorios, el físico Theodore Maiman había experimentado reemplazando el gas por un rubí sintético en un máser. Maiman construyó un pequeño artefacto que utilizaba un cristal cilíndrico de rubí de un centímetro aproximado de diámetro y que al recibir ráfagas de luz de unas millonésimas de segundo de duración, daba lugar a breves pulsaciones de luz láser. La carrera por el dispositivo había tenido un inesperado y silencioso ganador. El 6 de agosto de 1960 se publicó en la revista Nature el trabajo de Maiman, titulado “Stimulated Optical Radiation in Ruby”, un breve pero fundamental artículo sobre la primera emisión de luz láser.

Hubo reconocimientos para todos y una salomónica solución al tema de las patentes: la del láser de Rubí para Maiman y la del máser para Townes. Hasta el cuñado de Townes recibió un premio Nobel de Física en 1981 por el desarrollo de un láser espectroscópico.

FICCIONES Y REALIDADES

El láser invadió también el mundo de la ficción. Un amplio surtido de artefactos basados en este versátil dispositivo pobló el universo de la literatura y el cine fantástico, llegando al clímax en la saga cinematográfica de La Guerra de las Galaxias. Pistolas, espadas y otras máquinas diversas permitieron a héroes de ficción enfrentar a feroces enemigos imaginarios. En el mundo real, en cambio, la tecnología láser interviene en cuestiones de una menor carga épica pero de gran relevancia práctica. La detección de los movimientos de la corteza terrestre o de la contaminación atmosférica, la inducción de reacciones químicas, experimentos de relatividad, su uso como bisturí quirúrgico o el prometedor desarrollo de fibra óptica de baja pérdida fueron posibles gracias a la fabricación de distintos tipos de sistemas láser. También el láser se convirtió en una formidable herramienta para la industria bélica, formando parte de dispositivos de posicionamiento, cegamiento, sofisticadas armas o del tristemente famoso proyecto de Ronald Reagan, la Iniciativa Estratégica para la Defensa, en el que se cruzan la ficción y la realidad: el proyecto fue conocido popularmente como Guerra de las Galaxias, igual que el film.

Cumplido su primer medio siglo, el láser renueva su vigencia proyectándose a territorios impensados, algunos esperanzadores y otros riesgosos. Esta joven historia recién comienza.

El universo se expande ilimitadamente

En la imagen se puede apreciar la distribución de materia visible a la izquierda y la distribución materia oscura a la derecha en el cúmulo de galaxias Abell 1689. © NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) and J-P. Kneib (LAM)

Una reciente investigación muestra que el universo se expande de forma ilimitada.

Astrónomos estadounidenses utilizaron un cúmulo de galaxias muy particular, conocida como Abell 1689, para tratar de acercarse un poco más y desvelar uno de los grandes misterios de la ciencia: cómo se comporta la energía oscura que hay en el Universo.

Abell 1689 funciona como una lente gravitatoria que amplifica de forma excepcional las imágenes de las galaxias que se encuentran detrás.

Ahora una investigación publicada en la revista Science por un equipo dirigido por el profesor Eric Jullo, del Laboratorio de Propulsión de la NASA en California, EE.UU, arroja nueva luz sobre la distribución de la energía oscura y sugiere que el destino más posible del Universo es que continúe expandiéndose de forma ilimitada... Hasta convertirse en un espacio frío y muerto, según afirman los investigadores.

3/4 del Universo

Se sabe desde hace tiempo que la energía oscura es un fuerza misteriosa que acelera la expansión del Universo.

A pesar de ser totalmente invisible la energía oscura compone hasta tres cuartas partes del Universo, el 72%. El otro 24% estaría formado de materia oscura (distinta a la energía oscura).

Sólo el 4% restante daría lugar a la materia de la que se componen planetas, hombres, estrellas, galaxias y todo aquello que está formado de átomos, lo que una vez se pensó que era el Universo en su totalidad.

Nuestras conclusiones prueban cuál será exactamente el destino del Universo.

Priyamvada Natarajan, profesor de la Universidad de Yale

Pero sabemos de su existencia porque hace más de 20 años se descubrió que había "algo" muy abundante que generaba la expansión del Universo.

Los científicos utilizaron el telescopio espacial Hubble para observar la forma en que la luz de las estrellas distantes se distorsionaba a través de Abell 1689 y averiguar así cómo se expande la energía oscura a través del universo.

Abell 1689 es uno de los mayores cúmulos de galaxias conocidos hasta ahora y sus características resultan sorprendentes.

Se encuentra situado en la constelación de Virgo y a una distancia de 2.200 millones de años luz de la Tierra.

Debido a su inmensa y extraordinaria masa, Abell 1689 funciona como una enorme lupa cósmica que hace que la luz se doble y se proyecte debido a su enorme atracción gravitatoria, de una forma similar a la que una lupa distorsiona un objeto.

Tercer factor

El cúmulo de galaxias Abell 1689 actúa como un lente cósmica. © NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) and J-P. Kneib (LAM)

La forma en que la luz es distorsionada por las lentes cósmicas depende de tres factores: cuán lejos está el objeto distante, la masa de Abell 1689 y la distribución de la energía oscura.

Los astrónomos fueron capaces de medir las primeras dos variables utilizando el Telescopio de Gran Tamaño del Observatorio Europeo Astral, que se encuentra en Chile.

Y esto les permitió, mediante difícil y sofisticados modelos matemáticos, descubrir el crucial tercer factor.

Conocer la distribución de la energía oscura indica a los astrónomos que el Universo continuará expandiéndose y haciéndose más grande de forma ilimitada.

Hasta que finalmente se convierta en un espacio frío y sin vida con una temperatura cercana a lo que los científicos conocen como el término de "cero absoluto".

El cosmólogo Pryamvada Natarajan, de la Universidad de Yale, en EE.UU., y co-autor del estudio, dice que las conclusiones prueban "cuál será exactamente el destino del Universo".

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