Apuntes científicos desde el MIT

Me preguntaron si yo sabía qué era la antimateria y contesté: “Sí, la materia formada por antipartículas”. “¿Y qué son las antipartículas?”, prosiguió mi contertulio. “Partículas como las que conocemos, pero con carga opuesta. Por ejemplo, un antiprotón es un protón con carga negativa”. Me detuve al darme cuenta que en realidad no entendía qué diantre era la antimateria…

Por suerte en casa de Antonio había un físico. Le preguntamos. Tras el típico “No es mi campo” logramos arrancar la siguiente explicación: “la antimateria es como la materia ordinaria, pero con partículas de carga contraria. Como el positrón, que es un electrón con carga positiva”. Y se quedó tan ancho. “¿Pero qué es? ¿de dónde salen estas partículas?”, insistimos. “Ya os he dicho que no era mi campo…”

Alguien sacó un iPhone y leyó la entrada de Wikipedia : “la antimateria se compone de antipartículas de la misma manera que la materia de partículas. Por ejemplo, un antielectrón (electrón con carga positiva) y un antiprotón (protón con carga negativa) podrían formar un átomo de antihidrógeno…”

Desesperado, al llegar a casa envié un mail a Gonzalo , físico de partículas que trabaja con el CERN , preguntándole cuando podíamos charlar por Skype.

Gonzalo Merino

Investigador del CIEMAT y coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España en el PIC de Barcelona.

Pere: Gonzalo, ¿qué es la antimateria?

Gonzalo: Es la materia hecha de antipartículas…

P: Espera!!! Ya se; como el antiprotón y el antielectrón. Pero ¿qué es un antiprotón? ¿de dónde sale? Yo quiero entenderlo a un nivel fundamental!

G: Pues entonces debemos remontarnos al 1928 y hablar de Paul Dirac. De hecho es una historia muy bonita. Paul Dirac era un genio, el típico físico teórico que se pone a hacer cálculos, y con sus ecuaciones predice la existencia de algo que nadie ha visto antes.

P: ¿La antimateria?

G: Sí, en ese momento sólo fue una predicción matemática. Su existencia real se observó años después.

P: ¿Como la búsqueda del bosón de Higgs con el LHC, que estáis seguros de su existencia a pesar de no haberlo visto todavía?

G: Exacto, pero lo de Dirac fue mucho más notorio…

P: ¿Cómo “descubrió” la antimateria?

G: Uff… es difícil de explicar. A ver… A principios del siglo XX había varias revoluciones en marcha en el mundo de la física. En 1905 Einstein presentó su relatividad especial, que daba lugar a la famosa E=mc² de las camisetas, según la cual la materia y la energía eran intercambiables. La otra gran revolución era la cuántica de Heisenberg, Bohr y compañía… que describía el comportamiento de las partículas subatómicas. Ambas funcionaban muy bien, pero eran teorías separadas.

Lo que Paul Dirac intentaba hacer era unirlas matemáticamente; crear una mecánica cuántica relativista. En concreto lo que pretendía era poder describir el electrón, lo más sencillo que uno se podía imaginar. Entonces… al combinar las ecuaciones de la relatividad y la cuántica le apareció la “ecuación de Dirac”, cuyo resultado describía el electrón. Pero había algo curioso: la ecuación de Dirac tenía dos soluciones matemáticas, una negativa (que era el electrón de toda la vida) y otra idéntica, totalmente simétrica, pero con carga positiva. Concluyó que si sus ecuaciones eran ciertas, en algún sitio debía existir una partícula idéntica al electrón pero con carga positiva.

P: wow… ¿y más tarde se descubrió?

G: Si, si… 4 o 5 años después de que Dirac los predijera se observaron experimentalmente los positrones (electrones positivos).

P: …

G: Claro! Y luego se buscaron el resto de antipartículas… Dirac lo hizo para el electrón, pero si las matemáticas establecían que la naturaleza debía respetar esta simetría, para un protón también debía existir un antiprotón. Y así para toda la materia. Es un postulado.

P: Pero a ver… yo tengo en frente mío un ordenador hecho de átomos, que están constituidos de protones, de quarks, de electrones… ¿aquí hay antipartículas también?

G: No, no… todo lo que nos rodea es materia, no antimateria. Imagino que tu querrías saber dónde están las antipartículas, no?

P: Qué perspicaces sois los científicos…

G: Entonces… Estoooo…. Big Bang!!!

P: Big Bang???

G: Sí! Big Bang.

P: Háblame del Big Bang…

G: Bien. Tal y como lo conocemos ahora, toooooodo empezó hace 13.700 millones de años, en una concentración de temperatura y densidad infinita. Al principio todo era energía concentrada en un punto. Luego cuando el Universo empezó a expandirse se fue enfriando, y por E=mc² cierta energía comenzó a transformarse en materia. Pero claro! Según lo que comentamos de Dirac, en teoría se formaron tanto partículas como antipartículas. Pero, y esto es muy importante, otra cosa que sabemos es que cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se anihilan y forman energía.

P: ¿y?

G: Vale. Si en el Big Bang todo hubiera sido absolutamente simétrico, la energía hubiera generado partículas y antipartículas por igual, que luego se hubieran destruido formando más energía hasta llegar a un cierto equilibrio térmico, en el que ni nosotros ni nada existiría. Entonces, el hecho que tengas delante un ordenador hecho sólo de materia nos dice que en el origen del Universo hubo algún tipo de asimetría entre materia y antimateria. Es decir, las leyes de la naturaleza contienen alguna asimetría que favoreció a la materia frente a la antimateria. Lo que sabemos ahora es que… a ver que no me equivoque de ningún cero… por cada mil millones de antipartículas se formaron mil millones más una partículas. Estos miles de millones se aniquilaron entre ellos, y las partículas “sueltas” de materia, las desapareadas, son las que empezaron a formar átomos, galaxias, tu ordenador y el mundo tal y como lo conocemos.

P: ¿Y esto sabéis seguro que fue así?

G: Sí, si… esto fijo, fijo. (risas). La prueba experimental viene del fondo de radiación de microondas.

Este fondo son los fotones que nos llegan del otro extremo del universo, que se originaron durante la aniquilación de la sopa de partículas y antipartículas. Hoy en día por cada partícula de materia que vemos en las galaxias, o donde sea, podemos contar mil millones de fotones del fondo de radiación de microondas.

P: Qué te iba a decir… por tanto, en principio ahora no queda nada de antimateria.

G: Bueno, la que los físicos creamos.

P: Explícate.

G: Es lo que se hace en el CERN, o en otros laboratorios de partículas. Hoy en día, si juntas suficiente energía en un punto puedes crear materia por la E=mc².

P: Y antimateria!

G: Claro, en cada colisión del CERN siempre se forman partículas y antipartículas. Las antipartículas se destruyen enseguida cuando chocan con las paredes del detector, pero nos da tiempo de registrarlas para estudiarlas.

P: En Ángeles y Demonios iban guardando la antimateria en una cajita para luego crear una bomba.

G: Ya, pero es imposible. Confinar antimateria es algo tremendamente complicado, porque se aniquila inmediatamente al encontrarse con cualquier átomo de materia. Se puede vonseguir con campos magnéticos, haciendo que no toque nada, pero es dificilísimo. Hay experimentos en el CERN que generan antielectrones y antiprotones, los enfrían hasta prácticamente frenarlos, los mantienen aislados de la materia, y llegan a construir átomos de antihidrógeno.

P: ¿Eso se ha logrado?

G: Sí, se han creado antiátomos de hidrógeno. Con ellos intentan averiguar cosas muy curiosas. Por ejemplo ¿cómo les afecta la gravedad? ¿caen hacia arriba o hacia abajo? ¿existe la gravedad negativa? A priori se deberían comportar igual… pero todavía no hay ninguna comprobación experimental.

P: Alucinante…

G: Sí, son experimentos pequeños pero muy cachondos. El LHC roba toda la atención del CERN, pero hay un montón de grupos pequeños haciendo investigaciones muy fundamentales, que podrían generar grandes sorpresas. Imagínate si contrariamente a lo esperado resulta que un antiátomo de hidrógeno sube por la gravedad en lugar de caer!

P: Fantástico. Entonces: tener para una bomba de antimateria queda descartado, no?

G: Totalmente. Porque aún suponiendo que se pudiera confinar, si el CERN se hubiera dedicado a guardar antimateria durante sus 50 años de historia, como máximo habría generado unos pocos nanogramos. Para fabricar la bomba de Ángeles y Demonios se necesitaría como mínimo un gramo. Tardaríamos mil millones de años en reunir esa cantidad. No tiene ningún sentido.

P: Oye, y lo del PET (Tomografía de Emisión de Positrones)?

G: Exacto. En la vida real también hay antipartículas, y el caso más típico es el PET que encontramos en los hospitales, que utiliza antipartículas para diagnosticar el cáncer.

P: ¿Cómo se generan?

G: Con radioactividad. Hay elementos que son radioactivos por naturaleza y se desintegran siguiendo una reacción nuclear. El PET es eso; te inyectan una sustancia radioactiva que al desintegrarse emite un positrón. Ese positrón inmediatamente encuentra un electrón de tu cuerpo y se aniquila generando energía, fotones. Lo que detecta el aparato son esos fotones, y con ellos genera una imagen del interior de tu cuerpo.

P: Qué grande la antimateria… Gonzalo, eres un crack.

O por lo menos, este color le da una cierta ventaja…
Un grupo de investigadores ingleses analizaron el desenlace de confrontaciones individuales en boxeo, taekwondo, lucha libre, y lucha grecorromana durante los juegos olímpicos del 2004. Los que vestían de rojo ganaban el 60% de las veces.
Luego, se fijaron en los resultados de 5 equipos de fútbol que durante la Eurocopa 2004 alternaban uniformes de diferentes colores. Cuando llevaban el rojo, marcaban más goles que cuando iban de azul o blanco.
Los investigadores interpretaron estas observaciones en términos de psicología evolucionista. Dicen que el rojo es una señal de salud, dominancia, y altos niveles de testosterona, y que cohíbe a los adversarios de foma subconsciente.
Mi absurdo titular, la explicación simplista, lo escasa que parece la muestra, y lo raro que resulta imaginar a Iniesta intimidando por su físico a los defensas alemanes, hacen que este estudio parezca un fragrante caso de pop-science. Sin embargo, el artículo se publicó en nature…

Con la excusa de la final pensé hacer un post fresquito, sin grandes pretensiones, sobre vínculos entre ciencia y fútbol. Empecé a buscar información en revistas científicas y la verdad, encontré más jugo de lo que esperaba. Especialmente en las áreas de: salud y lesiones, física , nutrición, y tecnología aplicada a este deporte.

Trayectorias impredecibles
¿Por qué la pelota cambia de dirección en las faltas? Cuando la golpeas por un lado, con rosca, consigues que el balón vaya girando por el aire. En el lado que gira “hacia dentro”, lo hace en la misma dirección que el flujo de aire que le viene de cara, y eso disminuye la presión. Por el otro costado, el balón gira en contra del aire que le viene. Esto crea mayor resistencia, presión, y se tuerce: “coge efecto”.
La fuerza con que chutes es también importante, porque si la pelota va muy rápido genera turbulencias que anulan el efecto.
La famosa falta de Roberto Carlos es quizás el ejemplo más espectacular. Al darle por el lateral con el exterior de su pie izquierdo hizo que el balón girara en contra de las agujas del reloj. Pero chutó tan fuerte, que el flujo de aire sobre el balón era turbulento y no ofrecía resistencia. El balón salió completamente recto. Pero en un momento determinado su velocidad disminuyó, y entró un flujo laminar de aire que lo frenó todavía un poco más. Esto permitió que se manifestara de repente la fuerza lateral por el efecto de la rotación del balón, y se torciera sorprendentemente hacia la portería.
Para los porteros, en estos casos es prácticamente imposible predecir el destino final del balón.

Las chicas se lesionan más
Pubmed es la base de datos que recoge todas las publicaciones científicas en el ámbito de la biomedicina. Si buscas por la palabra “soccer”, te aparecen 2996 artículos. Un vistazo general a los títulos indica que muchos trata acerca de lesiones específicas en el fútbol. Por ejemplo, un estudio concluyó que los jugadores solían tener cuellos menos flexibles y más posibilidades de dolor cervical. Otra investigación asoció la práctica profesional del fútbol con mayor incidencia de una enfermedad neuronal determinada.
Pero este 2008 apareció un artículo en el NY Times que trajo bastante cola porque inducía a concluir que “el fútbol es cosa de hombres”. Según diversos estudios, en EEUU las chicas se lesionan un 50% más que los chicos jugando a soccer, y tienen 5 veces más posibilidades de sufrir lesiones de rodilla. Esto se achaca a diferencias físicas entre géneros y menor fortaleza, algo políticamente incorrecto de argumentar.

No me quitéis la cervecita!
La nutrición es uno de los asuntos más estudiados en el deporte, sin duda. Los expertos indican que los carbohidratos de asimilación lenta, como las patatas, son la mejor opción para antes del partido. Pero hay gran diversidad de teorías y preferencias.
Lo que sí parece claro es que la costumbre de tomar una cervecita con los amigotes después del partido no es tan sana como nos imaginábamos (yo por lo menos). Durante el partido se pierde mucho liquido, y el alcohol dificulta la rehidratación. Además, la cerveza es diurética, con lo que contribuye a eliminar todavía más líquido. Si lo que quieres es salud, mejor una triste bebida isotónica…

El deporte más emocionante
¿Por qué es el deporte rey? ¿por qué genera tanta expectación, tanta pasión? Una de las claves es la ilusión o temor que despierta saber que todo puede pasar. Un estudio analizó más de 300.000 resultado de partidos de fútbol, baloncesto, baseball, fútbol americano, y hockey, para averiguar cuantas veces el rival débil (o peor clasificado) se imponía al fuerte. Con diferencia, el fútbol es el deporte más impredecible . Así que científicamente, tampoco hay favoritos. ¡A ver qué ocurre mañana!
Pero sobretodo, no os sulfuréis. Otro estudio publicado en nature hace pocos meses indica que durante los partidos de la selección alemana en el mundial del 2006, los alemanes sufrieron 2,66 veces más emergencias cardíacas que en días normales. Entre los pacientes que ya padecían enfermedad coronaria, el riesgo de recaer se incrementaba 4,03 veces los días de partido, como efecto del estrés emocional. Y esto en los alemanes!
Así que tranquilos, que tampoco hay para tanto…