En el silencioso corredor del departamento de física de la Universidad de Dortmund, mientras esperaba una entrevista en que se hablaría del inicio de mi trabajo doctoral, veía en la pared los bocetos del detector. Los más recientes mostraban el momento justo en que dos partículas elementales chocan produciendo radiación. Habían sido extraídas de un artículo científico enviado a la revista Physics Letters. Ahí se anunció la primera observación de un fenómeno asombroso protagonizado por el corpúsculo descubierto apenas diez años antes. El experimento ARGUS montado en un laboratorio alemán en la ciudad de Hamburgo había visto la transformación espontánea de partículas en antipartículas en un proceso natural de oscilación entre materia y antimateria.

Los muros habían adquirido la voz dormida que parece venir de los cuadros que se cuelgan en ellos. En uno se mostraba el dibujo de trayectorias curvas que salían de un punto: el vértice donde todas las líneas se encontraban señalaba el lugar justo en el que los electrones y sus antipartículas, los positrones, habían colisionado. El retrato de uno de los eventos especiales que revelaba la sutil intimidad de un Universo en el que la materia se convierte en antimateria, estaba ahí para ser visto por los pocos que caminaban por los corredores del tercer piso y que podían apreciar el arte gráfico de la física moderna.

El evento no solo era motivo de discusiones académicas en todas partes, también decoraba los estrechos pasajes de la Universidad donde se había construido una parte del detector ARGUS que descubrió el fenómeno y a donde acudía ahora yo con la esperanza de aprender y entender el sutil mundo cuántico y las leyes que gobiernan el interior de la materia.

Desde mi juventud había escuchado hablar de la antimateria como algo oscuro, incomprensible y esotérico. Ahora estaba muy cerca de esa sustancia misteriosa. Unos meses más tarde llegué al laboratorio alemán Desy donde el experimento registraba día y noche los choques entre electrones y positrones para producir quarks «belleza». Después de dejar mi maleta en la oficina me encaminé al laboratorio entre escaleras industriales, túneles oscuros y gigantescos bloques de concreto apilados. Cuando llegué al cuarto de control caminé por pasillos bordeados por aparatos, cables y herramientas. Luego, la atmósfera se inundó con el sonido de los ventiladores que expulsan el calor de los instrumentos. Las alarmas sonaban de vez en cuando y los físicos en guardia tomaban acciones para resolver con diligencia las irregularidades del registro de eventos. A unos metros de ahí, los choques de electrones y positrones generaban partículas y antipartículas.

Así recuerdo el primer contacto que tuve con la antimateria.

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En los años ochenta el pequeño grupo de investigadores alrededor del experimento comenzaba a ser inusual en el área que se conoce como física experimental de altas energías. Los grandes aceleradores y equipos experimentales habían crecido considerablemente, pero esa década fue de transición en el laboratorio alemán Desy.¹ El acelerador Petra donde antaño se había descubierto una de las partículas fundamentales llamada gluon, sería convertido en una máquina que permitiría inyectar el haz al más grande acelerador en construcción llamado «Hera», como la reina de los dioses griegos. Mientras eso ocurría, la producción científica en el laboratorio provenía solo del experimento ARGUS que registraba las colisiones de un pequeño acelerador llamado DORIS.

Para observar la conversión de materia en antimateria —ese vaivén sorprendente entre la sustancia más común del Universo y su opuesto—, ARGUS usaba a DORIS para producir choques de electrones y antielectrones. Las maravillas naturales del mundo microscópico se pueden ver a través de un instrumento portentoso de capacidad amplificadora como éste. Se trata de un conjunto de dispositivos diseñados para medir la radiación que se produce cuando las partículas chocan y generan ocasionalmente los productos finales deseados para su estudio.

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Que la materia se convirtiera en antimateria no era un fenómeno común. La magia de la transmutación rebasa todas las pretensiones de los alquimistas que siglos atrás querían cambiar a un elemento por otro. Estos magos de la Edad Media nunca se imaginaron que en el interior de la materia ocurría una metamorfosis más profunda bajo la influencia de las leyes naturales.

El tipo de partícula que hace esa transición contiene un quark llamado «belleza». Este quark aparece siempre ligado con otros formando compuestos a los que se llama hadrones.² En general, los quarks de cualquier tipo forman estructuras al unirse entre sí —exceptuando al más pesado de los seis que existen—. Los quarks ligeros forman agregados conocidos como mesones o bariones que son arreglos de dos y tres quarks respectivamente. Los neutrones y protones son bariones que se juntan para formar los núcleos de los átomos rodeados de electrones. Los átomos constituyen moléculas que están en todo lo que nos rodea. Así se construye la realidad material.

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El quark «belleza» era fácil de rastrear. Su peso excesivo, comparable con el de un átomo de helio, lo ha delatado siempre desde que fue descubierto en 1977. Aunque puede parecer sorprendente que una partícula elemental sea tan masiva, hay que saber que, aun siendo puntual, una partícula no tiene por qué ser ligera. La masa no tiene que ver con la elementalidad.

Algunas de las partículas fundamentales se resisten al movimiento de manera considerable. El peso, que cuantifica la inercia y que medimos como masa, es independiente del carácter elemental que tienen estas minúsculas porciones de materia.

En aquel entonces solo se conocían cinco tipos de quarks y el quark «belleza» era el personaje central en la historia que llamó la atención de los especialistas y que ayudaría a que ARGUS se convirtiera en uno de los experimentos más exitosos del siglo XX.

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El doctor Gerardo Herrera Corral explora la historia de la antimateria, casi idéntica a la materia en sus propiedades generales, pero posee los números cuánticos opuestos, por lo que su aniquilación produce un destello de luz.

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ARGUS se comenzó a construir en Alemania inmediatamente después de que el quark «b» fuera descubierto en el laboratorio Fermi en Chicago, Estados Unidos. El hallazgo de este nuevo fragmento de materia se había confirmado poco después en el laboratorio Desy y entonces un equipo de científicos de diferentes países se propuso estudiarlo. Se reunieron los recursos necesarios para armar un aparato capaz de verlo en detalle. Se eligió el nombre del experimento como acrónimo de A Russian German United States Swedish collaboration, sabiendo que ARGUS se refería al gigante de la mitología griega Argus Panoptes, quien con sus cien ojos vigilantes cuidaba a la diosa Hera.

Una vez terminado el microscopio de varios metros de largo, ancho y alto, se colocó en el punto exacto donde el haz de electrones chocaba con sus antipartículas, los antielectrones. Las colisiones tenían la energía suficiente, pero no más que la necesaria para crear dos quarks «belleza», uno de materia y el otro de antimateria, es decir: quark y antiquark del tipo «b». Los mesones (conjuntos de quark y antiquark) a los que se denomina con una letra «B» y que se forman inmediatamente a partir de estos quarks, nacían casi en reposo pues no se proporcionaba más energía a los haces para evitar que las partículas producidas volaran vertiginosamente en todas direcciones o que se crearan más de otro tipo. De manera que se lo podía examinar con todo cuidado mientras el par quark antiquark quedaba suspendido por un instante antes de desaparecer.

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Los estudios acabarían por reportar lo que sigue siendo una de las características más llamativas del quark «b»: por un artificio sorprendente que opera en el mundo microscópico, el quark se convierte en antiquark  b^– para más tarde volver a ser quark nuevamente.

Tan asombrosa puede ser la naturaleza que la materia se transforma espontáneamente en antimateria para después tornarse nuevamente en materia. El proceso se repite una y otra vez antes de que el agregado de quarks se desintegre definitivamente. Al fascinante fenómeno se lo conoce como oscilación de materia y antimateria.

Ese mismo comportamiento fue advertido veinticuatro años antes en un quark más ligero conocido como «quark extraño» y el estudio cuidadoso del juego entre materia y antimateria había sido merecedor del Premio Nobel³ para los líderes de los equipos experimentales que lo vieron por primera vez. La curiosa fluctuación entre materia y antimateria esconde aspectos muy interesantes de la naturaleza y uno de ellos es su relación con las simetrías que existen o se rompen en el Universo. Así, la observación de estas oscilaciones en un quark distinto al quark «extraño» abría las puertas a la comprensión del importante fenómeno de la asimetría entre la materia y la antimateria.

No solo eso: el quark «b» fue el quinto de los quarks en ser descubierto y aunque estaba prevista la existencia de un quark más, completar la lista actual de seis se llevó dieciocho años. Fue la oscilación de mesones B lo que delató la presencia del quark faltante llamado «cima» o «top» en inglés, porque en el proceso de transformación debía estar presente por instantes muy breves. Era tal el peso de su presencia que fue perceptible por la manera en que la materia se convierte en antimateria. La observación de la oscilación de quarks b en b^– fue pues la primera evidencia de que el quark top existía.

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Nos disponemos aquí a conversar sobre ese singular extracto de antimateria que surge desde el vacío para mostrarnos el lado opuesto de la existencia.

Desde que las oscilaciones de materia y antimateria fueron descubiertas en los años sesenta, y confirmadas en quarks más pesados en los años ochenta, hemos aprendido mucho de sus características. La antimateria se ha ido revelando como una sustancia útil, aunque siga siendo objeto de estudio. No entendemos aún las sutilezas de su comportamiento y nos queda mucho por aprender de ese espejismo que se opone a la materia y que se extiende más allá de nuestro alcance.

Hagamos un recorrido por el mundo de la antimateria y veamos cuál es el estado del arte en todas las facetas que rodean a este singular aspecto de la realidad.

1 DESY, por sus siglas en alemán, Deutsches Elektronen Synchrotron, es el laboratorio nacional alemán de partículas elementales fundado en 1959.

2 La palabra hadrón proviene del griego «hadrós» que significa denso o fuerte y se utiliza para designar a los corpúsculos formados por quarks.

3 James Cronin (1931-2016) y Val L. Fitch (1923-2015) laureados con el Nobel en 1980 por un experimento realizado en 1964 donde se estudió el decaimiento de mesones que contienen al quark extraño llamados kaones.

GERARDO HERRERA CORRAL. Doctor en ciencias por la Universidad de Dortmund, Alemania, y ha realizado estancias posdoctorales en el Fermi National Accelerator Laboratory (Chicago, Estados Unidos), así como en el Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (Río de Janeiro, Brasil). Ha sido investigador en el Deutsches Elektronen-Synchrotron en Hamburgo, Alemania, y actualmente es investigador asociado en el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) en Suiza, así como profesor titular del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV) en México.