La gran tormenta positrónica

cazafantasmas

“Ya no volverás a moquear a un tío que tiene un colisionador a positrones, ¿eh?”

El doctor Peter Venkman acaba de capturar a un fantasma enfocado, antiterminal y repeti… bueno, un moqueador. Para ello le fue de vital ayuda su pequeño generador nuclear (ilegal, pero no nos pongamos tiquismiquis) que lanza un chorro de positrones en forma de rayo. De ese modo, los Cazafantasmas consiguen limpiar Nueva York de todo tipo de espectros y fantasmas.

Ahora bien, que el rayo sea de positrones, o de rayos gamma producidor por una aniquilación de positrones ya es ahondar en el detalle. El caso es que todo pasa por la fabricación de positrones. ¿Y qué es eso? Ahora sabemos que es una partícula, claro, pero en su momento no pasó de barrunto.

La historia tiene su guasa. Hacia la década de 1920 los científicos intentaban unificar la Relatividad de Einstein y la Mecánica Cuántica, las dos teorías más exitosas de la Física Moderna. En 1926, Oskar Klein y Walter Gordon consiguieron ampliar la ecuación de Schrödinger (sí, el tío del gato). El problema era que la que hoy conocemos como ecuación de Klein-Gordon tenía severas limitaciones. Una de ellas es que resulta inaplicable cuando la partícula tiene un valor no nulo de la propiedad que llamamos espín.

Paul Dirac se puso a la tarea, y en 1930 desarrolló la ecuación que lleva su nombre. Permite explicar el comportamiento del electrón, una partícula de espín 1/2. La ecuación de Dirac predecía una partícula extraña, con la misma masa que el electrón pero con carga positiva. La mayoría de los científicos concluyó que esa segunda solución a la ecuación de Dirac era algo sin sentido matemático. Es como cuando lanzamos una pelota al aire e intentamos determinar cuánto tiempo tardará en caer al suelo. Las ecuaciones nos dan dos soluciones. Una de ellas corresponde a un tiempo negativo, y si soltamos la pelota en t=0 se trata de una solución matemática sin sentido físico. Podemos descartarla.

Y ahora llegamos al punto interesante. Dirac dijo que no, que esa segunda solución a su ecuación correspondía a una partícula real. Eso fue en 1931, cuando solamente se conocían el protón y el electrón, y la osada propuesta de Dirac fue recibida con una sonora carcajada; pero sólo un año después, el físico Carl Anderson descubrió experimentalmente una partícula con la misma masa que el electrón… y con carga positiva. La osadía de Dirac resultó ser cierta. Fue el primer descubrimiento de una antipartícula.

Ahora se admite que toda partícula elemental tiene su antipartícula, que comparte algunas propiedades (por ejemplo, la masa o el espín) pero tiene otras justo al revés (como la carga eléctrica). Resulta que el positrón es la antipartícula del electrón. En la actualidad los positrones se usan en una técnica de diagnóstico clínico llamado Tomografía de Emisión de Positrones (PET). Parece que el positrón será cada vez más utilizado en aplicaciones industriales.

El problema es crearlos. La materia que nos rodea está formada casi exclusivamente por partículas, y si una antipartícula choca con una partícula se desintegran en un chorro de energía. Eso significa que hay que crear los positrones si queremos hacer nuestro rayo cazafantasmas.

Una fuente es la desintegración radiactiva de algunas sustancias. La desintegración beta consiste en la producción, a partir de un protón, de un neutrón, un neutrino y un positrón.

Una segunda forma consiste en tomar un rayo gamma de alta energía y echar mano de esa famosa ecuación E=mc2. Un rayo gamma lo bastante energético puede superar la masa del positrón (unos 511 kiloelectronvolts, en unidades de energía). Por desgracia, una conversión de rayo gamma a positrón no es posible, ya que viola un montón de leyes de conservación, como la de la carga eléctrica. Pero supongamos que el rayo gamma supera en energía al doble de la masa del positrón. En tal caso, el rayo podría convertirse en un par electrón-positrón, y no se violaría ningún principio de conservación.

Vista la magnitud de las energías necesarias, suele tenerse la idea de que una creación electrón-positrón requiere del concurso de aceleradores de partículas, reactores nucleares o bichos así. Lo que nadie se imaginaba, al menos hasta hace pocos años, es que las tormentas en la superficie terrestre también son una fuente de positrones. Increíble pero cierto.

El mecanismo es aproximadamente el siguiente. Cuando una nube viaja por la atmósfera, el rozamiento la carga con electricidad estática. Si la diferencia de potencial con la superficie terrestre es lo bastante alta se crea un canal ionizado que transfiere los iones cargados de la nube al suelo. O dicho de otro modo: tenemos un rayo.

Creíamos que lo sabíamos todo sobre los rayos, pero lo que ignorábamos era que los campos eléctricos generados por las tormentas pueden llegar a acelerar electrones hasta velocidades relativistas. Cuando uno de tales electrones se acerca mucho a un núcleo atómico, es desviado de forma similar al típico asteroide que en las películas pasa rozando la Tierra. Esa desviación de una partícula cargada produce un fotón mediante un proceso denominado bremsstrahlung (“radiación de frenado”). Un electrón relativista tiene tanta energía que el fotón puede ser un rayo X, incluso un rayo gamma; y ese rayo puede luego interaccionar con un núcleo atómico para producir un par de partículas electrón-positrón.

Si eso es cierto, ¿por qué no hemos muerto hace tiempo? Porque la emisión de rayos X o gamma es un proceso raro. Se cree que las tormentas de nuestra atmósfera produce estallidos de rayos gamma (TGF, del inglés Terrestrial Gamma-ray Flashes) a razón de unos quinientos al día. Demasiados pocos para que todos acabemos verdes y con la camisa hecha jirones estilo Hulk, y de hecho no se han podido detectar bien hasta hace pocos años, cuando se puso en órbita el telescopio de rayos gamma Fermi. Me imagino la cara que pondrían los responsables: lanzan un observatorio para observar fuentes de rayos gamma en el espacio… y resulta que apuntando hacia abajo también aparecen. Cosas veredes.

Antes de Fermi había otra forma de detectar los TGF: volando en un avión. Sí, el tipo de cosas que en las películas acaba con alguien dotado de superpoderes. Entre agosto y septiembre de 2009, un grupo de investigadores al mando de Joseph R. Dwyer se subió a un Gulfstream V llevando a ADELE, que no era una chica sino un detector de rayos gamma. El propósito era medir los rayos gamma que se generan cuando los positrones se aniquilan.

Los vuelos se llevaban a cabo sobre los cielos de Florida y Colorado. El día 21 de agosto volaban sobre la costa sudeste de Georgia cuando, sin darse cuenta, penetraron en una tormenta activa extremadamente violenta. El avión comenzó a sacudirse violentamente debido a las turbulencias. Mientras los científicos se encontraban ocupados en no vomitar, ADELE detectó y registró cuatro estallidos de rayos gamma, el último de ellos de una potencia nunca vista antes.

En el cine, Dwyer sería ahora uno de los 4 fantásticos, pero él y su grupo actuaron como en el mundo real: desembarcaron, analizaron los datos y publicaron un paper que aparecerá en breve en el Journal of Plasma Physics. Sus datos permiten concluir que los estallidos de rayos gamma corresponden a sucesos de aniquilación electrón-positrón. Pero hay un problema: la cantidad de positrones necesarios para explicar las mediciones experimentales es más de diez veces superior a la cantidad que se pensaba existiría dentro de la tormenta.

Parecía como si el avión hubiera atravesado una nube de positrones de 1-2 kilómetros de longitud. Eso no es posible, ya que la duración de los eventos de rayos gamma fue tan breve que el avión solamente pudo recorrer unas pocas decenas de metros. La aparición de los positrones se trató de una fluctuación en el tiempo, no en el espacio. Es como si alguien hubiera activado un generador de positrones y lo hubiera apagado un quinto de segundo después.

Dwyer y su grupo buscaron explicación al fenómeno que observaron. Es posible que, al cruzar una región de emisión de rayos gamma, el campo eléctrico del avión aumentase produciendo los eventos registrados; pero eso no explica el hecho de que esos eventos sean tan similares, y tampoco se entiende la ausencia de fotones de alta energía que debían haberse generado. Tal vez la carga electrostática del avión alterase el flujo de positrones procedentes de la radiación cósmica de fondo, pero de nuevo los eventos observados no deberían ser tan similares, y el avión debería llevar una gran carga eléctrica para ser una explicación válida.

¿Qué hay de la desintegración beta? Como hemos visto antes, algunos núcleos radiactivos se desintegran produciendo positrones en el proceso. El nitrógeno-13 y el oxígeno-15 son dos buenos candidatos, producidos tras la interacción de rayos gamma con las moléculas de aire. Interesante, pero también tiene sus fallos a la hora de explicar los sucesos experimentales.

Los autores no se decantan hacia una explicación concreta, y a falta de más conocimiento sobre lo que ocurrió es una decisión razonable. Si no sabemos, no sabemos, no como en las pelis de superhéroes donde el doctor en física lo sabe todo y tiene explicación para todo. El evento Dwyer nos muestra que todavía nos queda mucho por saber.

Aunque en este caso quizá sepan algo que no desea contarnos. En declaraciones a phys.org, Dwyer explica el proceso de aniquilación electrón-positrón y en un momento dado dice que “es el mismo proceso que da energía a la nave Enterprise de Star Trek.” Todo buen trekkie sabe que lo de los cristales de dilitio, pero dejando ese detalle al margen, ¿es posible que hayamos detectado una nave de la Federación por vez primera?

Por supuesto que no. La hipótesis de los Cazafantasmas trabajando en las cercanías con sus aceleradores de positrones resulta mucho más plausible. Mira que ya lo avisó Spengler, no crucéis los rayos, que luego pasa lo que pasa.

10 Comentarios

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busgosubusgosu

No me creo el aniquilamiento partícula-antiparticula, porque no hay demostración de la existencia de lo positivo y lo negativo como realidad del universo.
¿cómo es posible que una aniquilación mutua tenga como resultado una reacción energética?
¿se están transfiriendo cualidades que el mundo físico no tiene a través del un método de análisis que si las tiene?

JorgeJorge

busgosu, mi no entender lo que tú querer decir. :)

¿Qué significa eso de “porque no hay demostración de la existencia de lo positivo y lo negativo como realidad del universo.”?
No entiendo qué quieres decir, en serio.

Dices: “¿cómo es posible que una aniquilación mutua tenga como resultado una reacción energética?”
La ecuación de Einstein lo deja bastante claro: E=mc^2
Además, no se trata de creer, es un hecho comprobado experimentalmente hasta la saciedad.

Por otro lado, dices: “¿se están transfiriendo cualidades que el mundo físico no tiene a través del un método de análisis que si las tiene?”
Tampoco entiendo la pregunta. Pero ni siquiera un poco.

busgosubusgosu

A mi me pasa lo mismo, no entiendo

Sencillamente cuando se habla de partículas y anti-partículas, es como hablar de partículas con la cualidad positiva de crear su existencia, y partículas con la cualidad negativa de crear su existencia y además eliminar la existencia de las positivas.

Las partículas representantes de la masa cuando se aniquilan mutuamente con su anti-partícula la masa desaparece, no hay masa, luego el valor de la masa es igual a cero, E=mc^2 con masa nula da energía nula.

No sé de los hechos comprobados que demuestren la existencia de masa positiva y masa negativa.

Cuando hablo de transferir las cualidades de un método de estudio al mundo real físico, me refiero por ejemplo, a medir un objeto con un metro y decir que el objeto está compuesto de milímetros.

TheTouristTheTourist

No, la masa de una anti-particula no es negativa. Por lo tanto, cuando una partícula y una anti-partícula se aniquilan mutuamente, la masa de las dos partículas se convierte en energía. Son otras las propiedades negativas de una anti-partícula, pero no la masa.

busgosubusgosu

Yo entiendo que en esté caso la simetría P es una estructura que representa el estado de la masa, como si la masa de las partículas se representara como una figura aproximada de localización en el espacio. Luego la anti-particula es un estado semejante pero inverso a la partícula.
Por eso digo lo de masa negativa y masa positiva.

Y no sé como esas estructura producen energía al anularse mutuamente.

¿Dónde me equivoco, qué ignoro?

xareuxareu

Busgosu (por el nombre, creo que compatriota), cuando una partícula-antipartícula se desintegran, lo hacen con una gran emisión de energía. E=mc2 no quiere decir que sin masa no hay energía, si no el equivalente energético de aquella.
Una pregunta para el autor: yo pensaba que la desintegración beta producía electrones, o al menos lo recuerdo así de cuando estudiaba centrales nucleares en Industriales.

busgosubusgosu

Sí es una equivalencia, pero para un valor nulo de la masa por aniquilación mutua de una partícula y su anti-partícula, la energía debe ser nula también.
Porque siendo la velocidad de la luz (c) una constante, la masa determina la energía.

busgosubusgosu

Bariogenesis, simetría CP, anti-materia, antipartícula, pares partícula antipartícula

En síntesis la teoría de una simetría de cargas antagónicas, y la teoría de estructuras de la materia simétricas y antagónicas, es una especulación sin mayor argumento que la inversión de parámetros matemáticos.

Yo no encuentro otra forma de entenderlo.

ana

Me ha encantado el artículo. Qué interesante y divertido. La ficción siempre nos ayuda a poner la cabeza a funcionar e imaginar dispares situaciones.

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