Introducció

L'antimatèria és una de les idees més fascinants de la física moderna. Sona a ciència-ficció, però és ben real: existeix, s'ha detectat en experiments i fins i tot se n'ha produït en laboratoris. El problema és que fer-ne és extraordinàriament difícil, conservar-la encara més, i la seva quantitat actual és tan minúscula que el seu preu teòric per gram es dispara fins a xifres desorbitades.

Aquesta combinació de realitat experimental i dificultat extrema ha convertit l'antimatèria en una mena de "substància impossible": sabem que existeix, però encara som molt lluny de poder-la utilitzar de manera pràctica.

Què és exactament l'antimatèria?

Cada partícula coneguda té associada una antipartícula. Té la mateixa massa, però algunes propietats oposades, com ara la càrrega elèctrica. Per exemple, l'electró té càrrega negativa, mentre que el positró, que és la seva antipartícula, té càrrega positiva.

Quan una partícula de matèria entra en contacte amb la seva antipartícula, totes dues s'aniquilen mútuament i la seva massa es transforma en energia. És una aplicació directa de la famosa formula d'Einstein: E = mc².

Això fa que l'antimatèria sigui, en teoria, una font d'energia d'una densitat extraordinària. Amb una quantitat molt petita es podria obtenir una energia enorme.

Com s'ha detectat?

L'antimatèria primer es va predir matemàticament i després es va descobrir de manera experimental. L'antimatèria va ser detectada per primera vegada pel físic Carl Anderson el 1932, que va identificar el positró en experiments amb raigs còsmics. Aquesta detecció va confirmar la teoria predita per Paul Dirac el 1928, que unificava la mecànica quàntica i la relativitat, suggerint l'existència d'antipartícules.

Des d'aleshores, la física de partícules ha detectat moltes altres antipartícules en raigs còsmics, en experiments nuclears i sobretot en acceleradors de partícules. Avui, els grans laboratoris poden no només detectar-les, sinó també crear antiàtoms sencers, com l'antihidrogen.

Com es fabrica?

La manera habitual de fer-ho és accelerar partícules fins a velocitats molt altes i fer-les col·lidir. En aquestes col·lisions, una part de l'energia es transforma en noves partícules, i entre elles poden aparèixer antipartícules.

Però el rendiment és ridículament baix. Cal gastar una quantitat immensa d'energia per obtenir una quantitat microscòpica d'antimatèria. Per això es parla de preus teòrics per gram completament fora d'escala.

Dit d'una altra manera: efectivament, es pot fabricar, però en quantitats tan petites que avui només és útil per a la recerca científica.

Per què és tan cara?

El cost astronòmic de l'antimatèria es deu sobretot al procés de producció.

Calen instal·lacions gegants, acceleradors de partícules, camps electromagnètics molt precisos, sistemes de detecció sofisticats i una despesa energètica enorme. A més, la quantitat final obtinguda és minúscula.

Quan es fan estimacions del seu cost per gram, s'arriba a xifres que poden ser de desenes de bilions de dòlars. Aquest preu no correspon a un mercat real, sinó al cost aproximat que tindria produir-ne aquella quantitat amb la tecnologia actual.

És, en aquest sentit, una de les "substàncies" més cares imaginables.

Com s'emmagatzema i es transporta?

Aquí apareix un altre obstacle monumental. L'antimatèria no pot tocar les parets d'un recipient normal, perquè s'aniquilaria immediatament en contacte amb la matèria ordinària.

Per això, les antipartícules s'han de mantenir suspeses en trampes electromagnètiques o magnètiques, dins de cambres de buit extrem i sota condicions molt controlades. És com intentar guardar una cosa que desapareix en el mateix instant que toca qualsevol objecte del nostre món.

Això fa que el transport sigui encara més problemàtic que la fabricació.

Quines aplicacions podria tenir?

Medicina

L'antimatèria pot sonar amb ciència ficció, però la veritat és que ja s'utilitza diàriament als hospitals per salvar vides. La seva aplicació més coneguda i fonamental és la Tomografia per Emissió de Positrons (PET).

És important remarcar, però, que aquí no es treballa amb grans quantitats d'antimatèria, sinó amb quantitats petites i controlades.

1 Diagnòstic mitjançant Escàner PET. El PET és una tècnica d'imatge que utilitza positrons, que són la versió d'antimatèria de l'electró.

• El procés: S'injecta al pacient un radiofàrmac (normalment glucosa marcada amb un isòtop radioactiu).
• L'aniquilació: Quan els positrons emesos pel fàrmac xoquen amb els electrons de les cèl·lules del cos, es produeix una "aniquilació matèria-antimatèria".
• La imatge: Aquest xoc allibera energia en forma de raigs gamma, que l'escàner detecta per crear un mapa detallat del metabolisme del cos, permetent localitzar tumors cancerosos o estudiar malalties cerebrals com l'Alzheimer.

2 Tractament del Càncer (Teràpia amb Antiprotons). Tot i que encara està en fase de recerca, s'estudia l'ús d'antiprotons per destruir cèl·lules canceroses de manera més precisa que la radioteràpia convencional.

• Igual que al PET, l'aniquilació d'antiprotons amb els nuclis atòmics dins d'un tumor alliberaria una explosió d'energia molt localitzada, minimitzant el dany al teixit sa circumdant.

3 Altres usos i curiositats

• Investigació cardíaca i cerebral: S'utilitza per mesurar el flux sanguini i el consum d'oxigen a òrgans vitals.
• Dada curiosa: Fins i tot els plàtans emeten una quantitat mínima d'antimatèria! Això és perquè contenen potassi-40, un isòtop natural que ocasionalment emet un positró.

Energia

En teoria, l'antimatèria seria una font energètica prodigiosa. En una aniquilació matèria-antimatèria, la conversió de massa en energia és extremadament eficient.

El problema és evident: fabricar més energia de la que després se n'obtindria útilment no té sentit pràctic. Amb la tecnologia actual, l'antimatèria està molt lluny de ser una solució energètica viable.

Propulsió espacial

Una de les idees més repetides és l'ús d'antimatèria per a motors espacials. En teoria, la seva densitat energètica podria permetre sistemes de propulsió molt més eficients que els actuals.

Això podria reduir temps de viatge dins del sistema solar i, en escenaris molt hipotètics, obrir noves possibilitats per a l'exploració espacial profunda.

Tanmateix, avui això continua sent sobretot una línia de recerca teòrica.

Per què l’antimatèria és caríssima… però la fem servir als hospitals?

Pot semblar contradictori: fabricar antimatèria és extremadament difícil i car, però al mateix temps s’utilitza cada dia en medicina. La clau està en quin tipus d’antimatèria es fa servir i com s’obté.

En laboratoris com el CERN, es treballa amb antimatèria “complexa” (com antiprotons o antiàtoms). Per obtenir-la cal accelerar partícules a velocitats enormes, fer-les col·lidir i després intentar retenir les antipartícules amb camps magnètics. El procés és molt ineficient, consumeix molta energia i produeix quantitats minúscules.

En canvi, en una tomografia per emissió de positrons (PET), no es construeix antimatèria de zero. S’utilitzen isòtops radioactius que de manera natural emeten positrons (antielectrons) quan es desintegren. És un procés molt més simple i controlat.

A més, en medicina no cal emmagatzemar l’antimatèria: es genera i s’utilitza immediatament dins del cos del pacient, on s’aniquila produint senyals que es poden detectar.

Dit d’una altra manera: no és el mateix intentar desar antimatèria en un laboratori que utilitzar-ne una quantitat minúscula que “apareix i desapareix” en qüestió de segons. Per això, allò que és gairebé impossible a gran escala és perfectament viable en aplicacions mèdiques.

Per què gairebé no n'hi ha a l'univers?

Aquest és un dels grans enigmes de la cosmologia. Les teories indiquen que, en l'univers primitiu, s'haurien d'haver produït quantitats molt semblants de matèria i antimatèria.

Si haguessin quedat perfectament equilibrades, s'haurien aniquilat mútuament i l'univers actual seria molt diferent. Però no és això el que observem: l'univers visible està format gairebé tot de matèria.

Això suggereix que, en algun moment molt primerenc, es va produir una petita asimetria que va afavorir la matèria. El motiu exacte encara no es coneix del tot.

Entendre aquesta diferència és una de les grans qüestions obertes de la física.

És el mateix antimatèria i matèria fosca?

La antimatèria i la matèria fosca sovint es confonen, però són conceptes completament diferents. L'antimatèria és com una "imatge mirall" de la matèria: té partícules reals, es pot crear en laboratoris i interactua amb la llum i amb la matèria (fins al punt d'aniquilar-se amb ella). En canvi, la matèria fosca és una forma de matèria que no emet ni absorbeix llum, no s'ha detectat directament i només sabem que existeix pels seus efectes gravitatoris sobre galàxies i estructures de l'univers. Dit d'una manera simple: l'antimatèria és coneguda però difícil de produir, mentre que la matèria fosca és abundant a l'univers... però encara misteriosa.

Una taula periòdica en mirall: la química impossible de l'antimatèria

Imaginar una taula periòdica d'antimatèria no és cap fantasia absurda: si existeixen antipartícules, també poden existir antielements. De fet, ja s'han creat àtoms sencers com l'antihidrogen, i en teoria podríem tenir antiheli, antioxigen o fins i tot "anti-aigua". Ara bé, tot això té una limitació brutal: aquestes substàncies només podrien existir en laboratoris extremadament controlats, suspeses en camps magnètics i sense tocar mai la matèria normal. Qualsevol contacte, per mínim que sigui, provocaria una aniquilació instantània. Tot i així, la idea és fascinant: un univers paral·lel fet d'antimatèria tindria la seva pròpia química, les seves "molècules" i potser fins i tot estructures complexes. El problema no és imaginar-lo... sinó aconseguir que duri més d'una fracció de segon.

Enllaços

Referències a altres webs

• CERN: antimatter
• Así es por dentro la única fábrica de antimateria del mundo
• Antimatter Explosions- NASA
• Antimatter (Britannica)

Enllaços a vídeos

• What is antimatter? - CERN
• PBS Space Time: antimatter
• CERN: Así se hace el material MÁS CARO DEL MUNDO 💰64.000.000.000$/g💰
• Dentro al CERN ⚛️ Tour completo

Podcasts

• Átomos y Bits | Materia y antimateria

Bibliografia

• Antimateria: 96 (¿Qué sabemos de?)