Cuando la antimateria se vuelve útil

Esta entrada se va a presentar a la XXII edición del Carnaval de Física. En esta ocasión el Carnaval está alojado en el blog: BioUnalm.  La temática sugerida versa sobre aspectos de aplicaciones de la física a distintos aparatos que utilizamos en nuestra vida diária.  Hemos elegido, de nuevo,  una entrada donde cuántica y relatividad se presentan de un modo sorprendente otra vez. Vamos a hablar de la tomografía por emisión de positrones.

La antimateria suena siempre a algo mágico, esotérico, extraño.  En general no sabemos si esto existe, si la trabajamos con facilidad y si presenta alguna utilidad más allá de presentarse en los rayos de la muerte de los malos en las pelis de ciencia ficción.

Sin embargo, la antimateria es un concepto que fue predicho por Paul Maurice Dirac en 1928 en su formidable trabajo de unir en un único esquema teórico los principios de la mecánica cuántica y la relatividad especial.  Sólo tuvieron que pasar 4 años para que esta predicción fuera comprobada experimentalmente por Carl D. Anderson cuando fue capaz de detectar un positrón.

El señor Paul M. Dirac

La antimateria es un tema apasionante, para empezar la teoría nos dice que toda partícula tiene una compañera con la misma masa, el mismo espín pero distinta carga.  Además es una constatación muy fuerte de la relatividad especial.  La existencia de antimateria únicamente tiene sentido si la naturaleza sigue las reglas impuestas por la relatividad, y ciertamente desde el 1932 hasta nuestros días hemos encontrado, producido, almacenado y manipulado antimateria en multitud de laboratorios y a diario.

El positrón, que fue la primera partícula de antimateria identificada experimentalmente, es el compañero del electrón, por tanto tiene la misma masa que el electrón, su mismo espín pero su carga es opuesta.

Una de las características esenciales de la antimateria es que cuando se encuentra un par de partícula y antipartícula compañeras (electrón-positrón por ejemplo) generalmente dicho encuentro acaba con una explosión de energía, lo que se llama aniquilación.  Es decir, la partícula y la antipartícula producen un flash de fotones (generalmente de alta energía, los fotones gamma).

Aniquilación electrón-positrón

¿Sirve esto de la antimateria para algo?

En principio esto parece una pijada de la física que estaría alejada de toda utilidad aparente, pero nada más lejos de la realidad, sus utilidades son asombrosas y aquí nos vamos a ocupar de una de las más espectaculares.  La tomografía por emisión de positrones.

¿Qué es una tomografía?

Pues es hacer foto(grafías) por tomos 🙂

Es una técnica de imagen que permite tomar imágenes por secciones de un determinado cuerpo.  Su aplicación está muy extendida.  Por ejemplo los arqueólogos lo usan a menudo por aquello de ver lo que hay dentro sin romper (que cuesta bastante encontrar algo como para luego romperlo).

Hay diversidad de técnicas que permiten esto:  Rayos X, rayos gamma, radiofrecuencias, electrones, iones, etc.. Pero aquí estamos más interesados en la técnica basada en la aniquilación de electrones y positrones.

Tomografía de emisión de positrones (PET)

La tomografía de emisión de positrones (PET en lo que sigue, por sus siglas en inglés Positron Emission Tomography) se basa en lo siguiente:

1.- Tenemos elementos radiactivos que emiten positrones de manera natural.  Estos elementos emiten radiación a través de un procedimiento denominado beta+. En este proceso un protón, dentro de un núcleo, se convierte literalmente en un neutrón, un neutrino y un positrón.

El elemento más utilizado en esta técnica actualmente es la Fluorodesoxiglucosa (que es una glucosa modificada que tiene un átomo de flúor (F18) que decae según radiación beta+).

Estos elementos radiactivos son de vida corta, del orden de 10min.

2.- La muestra radiactiva se introduce en el cuerpo por diversas vías, según la imagen que queramos tomar.  Se puede inhalar, se puede ingerir vía oral, o puede ser injectado vía venosa.

3.- Se espera a que la muestra radiactiva se acumule en el área de interés, y evidentemente eso está emitiendo positrones.  Esos positrones tienen muchas opciones de encontrarse con los electrones que tenemos en los átomos que nos conforman.  Y claro, explotan en dos fotones de alta energía (fotones gamma).  Lo bueno de esto es que por conservación de la energía (y el momento) esta emisión de los dos fotones gamma salen en direcciones opuestas (como se representa en la figura anterior).

4.- La detección se realiza gracias a que se emiten dos fotones en cada aniquilación positrón-electrón. Se pone un detector que es capaz de medir el tiempo de llegada de los fotones y su dirección.  Así cuando detectamos dos fotones llegando en direcciones opuestas y en el mismo tiempo podemos estar seguros de que han sido producidos en una aniquilación.

5.-  Luego se tienen que tratar los datos obtenidos para elaborar una imagen.  Estas técnicas necesitan de una gran potencia computacional y son ciertamente elaborados.  Pero el caso es que permiten la reconstrucción de dicha imagen por secciones.  Las imagenes se dan por planos y la combinación de imágenes de distintos planos permiten construir imágenes tridimensionales actualmente.

La PET es muy interesante porque además de proporcionar simples imágenes, que ya lo pueden hacer otras técnicas como los rayos X (aunque no en planos) permite detectar regiones de alta actividad química.  Cuando el metabolismo de una zona aumenta (por ejemplo en un tumor) la concentración de sustancias químicas aumenta y por tanto hay mayor densidad de electrones y por tanto las aniquilaciones son más numerosas en esas zonas que en otras de baja actividad metabólica.  Por tanto, no sólo es que podamos tener imágenes sino que podemos estimar donde hay mayor o menor actividad química-metabólica.

Comparativa de un PET de un cerebro normal y otro tras el consumo de cocaína.

Esta aplicación de la física a la medicina, proporcionando métodos de diagnóstico por imagen, nos parece espectacular.  Es una prueba de que cualquier constructo inicialmente teórico puede tener una aplicación en nuestra vida real.  Sólo hay que tener paciencia para que alguien le encuentre la aplicación o aplicaciones.  Así que el apoyo de la ciencia básica sigue siendo vital para el avance de la tecnología, y en este caso de nuestra calidad de vida.  Esperemos que los que controlan los presupuestos no recorten por ese lado, o no recorten más.

Esperamos haber mostrado brevemente esta aplicación de la antimateria en nuestra vida diaria y haber podido motivar a buscar más información.  Y por supuesto, haber puesto de manifiesto que esta aplicación, que podemos encontrar en casi todos los hospitales, está basada en la mecánica cuántica y la relatividad especial, lo cual es excepcional desde todos los puntos de vista.

Un saludo.