Antipartícula

Divisió de l'univers en matèria i antimatèria.

En física de partícules, a cada tipo de partícula se li associa una antipartícula en la mateixa massa, pero en càrregues físiques opostes (com la càrrega elèctrica). Algunes partícules són idèntiques a la seua antipartícula, com per eixemple el fotó, que no té càrrega. Pero no totes les partícules de càrrega neutra són idèntiques a la seua antipartícula. Sempre hem tingut l'impressió de que les lleis de la naturalea semblaven haver segut dissenyades per a que tot fora simètric entre partícules i antipartículas fins que els experiments de la cridada violació CP (violació carrega-paritat) varen trobar que la simetria temporal es violava en certs successos de la naturalea. L'excés observat de bariones sobre els anti-bariones, en l'univers, és un dels principals problemes sense resposta de la cosmologia.

Els pares partícula-antipartícula poden aniquilar-se entre ells si es troben en l'estat quàntic apropiat. Estos estats poden produir-se en varis processos. Estos processos s'usen en els acceleradors de partícules per a crear noves partícules i provar les teories de la física de partícules. Els processos d'altes energies en la naturalea poden crear antipartículas, i estos són visibles pels rajos còsmics i en certes reaccions nuclears. La paraula antimatèria es referix a les antipartículas elementals, els composts de antipartículas fets en estes (com l'antihidrógeno) i formacions majors que poden fer-se en ells.

Ilustració de la càrrega elèctrica de les partícules (esquerra) i les antipartículas (dreta). De dalt avall; electró/positrón, protón/antiprotón, neutró/antineutrón.

Les lleis de la naturalea són casi simètriques sobre les partícules i antipartículas. Per eixemple, un antiprotón i un positrón poden formar un antihidrógeno [que es creu que té les mateixes propietats que un àtom d'hidrogen. Açò du a preguntar-se per qué la formació de matèria despuix del Big Bang va donar lloc a un univers format casi enterament per matèria, en lloc de ser una mescla a miges de matèria i antimatèria. El descobriment de la violació de la paritat de càrrega va ajudar a clarificar este problema en demostrar que esta simetria, que originalment es creïa perfecta, era només aproximada.

Ya que càrrega és conservada, no és possible crear una antipartícula sense destruir una atra partícula de la mateixa càrrega (com ocorre, per eixemple, quan es produïxen antipartículas de forma natural per mig de desintegració beta o la colisió de rajos còsmics en l'atmòsfera terrestre), o per mig de la creació simultànea d'una partícula i la seua antipartícula, lo que pot ocórrer en acceleradors de partícules com el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Encara que les partícules i les seues antipartículas tenen càrregues opostes, les partícules eléctricamente neutres no tenen per qué ser idèntiques a les seues antipartículas. El neutró, per eixemple, està fet de quarks, l'antineutrón d'antiquarks, i es distinguixen entre sí perque neutrons i antineutrones s'aniquilen en entrar en contacte. No obstant, atres partícules neutres són les seues pròpies antipartículas, com fotós, Z⁰  bosones, [[posada Pi|Plantilla:SubatomicParticle]] posadas, i hipotètics gravitóns i algunes hipotètiques partícules massives débilment interactuantes.

Història

Experimente

En 1932, poc despuix de la predicció del positrón per Dirac, Carl D. Anderson va trobar que les colisions dels rajos còsmics produïen estes partícules dins d'una cambra de boira —un detector de partícules a on els electrons o els positrones que es mouen a través d'ell deixen darrere d'ells trayectòries, marcant el seu moviment pel gas—. La relació entre la càrrega elèctrica i la massa d'una partícula pot medir-se observant les curves que marquen en el seu camí per la cambra de boira dins d'un camp magnètic. Originalment els positrones, degut a que les seues trayectòries també es curvaven, varen ser confosos en electrons que viajaven en la direcció oposta.

l'antiprotón i l'antineutrón varen ser trobats per Emilio Segrè i Owen Chamberlain en 1955, en l'universitat de Califòrnia. Des de llavors s'han creat les antipartículas de moltes atres partícules subatòmiques en els experiments en acceleradors de partícules. En anys recents, s'ha conseguit generar àtoms complets d'antimatèria composts per antiprotones i positrones, recolectats en trampes electromagnètiques.

Teoria de Dirac

...el desenroll de la teoria quàntica de camps va fer innecessària l'interpretació de les antipartículas com a buits, inclús encara que desafortunadament encara persistix en molts llibres de text.

Les solucions de l'equació de Dirac contenien estats quàntics d'energia negativa. Com resultat un electró sempre podria radiar energia caent en un estat d'energia negativa. Inclús pijor que això, podria estar radiando una cantitat infinita d'energia perque hi hauria disponibles infinits estats d'energia negativa. Per a resoldre esta situació que anava contra la física, Dirac va postular que un "mar" d'electrons d'energia negativa omplien l'univers, ya ocupant tots els estats d'energia negativa de manera que, pel principi d'exclusió de Pauli cap atre electró podria caure en ells. No obstant, a voltes, una d'estes partícules en energia negativa podria ser elevada des d'este mar de Dirac a un nivell d'energia major per a convertir-se en una partícula d'energia positiva. Pero, quan era elevada, esta partícula deixava un buit darrere en la mar, que actuaria exactament com un electró d'energia positiva pero en càrrega contrària. Dirac va interpretar estos electrons inversos com protones, i va cridar per això al seu artícul de 1930 Una teoria d'electrons i protones.

Dirac ya era conscient del problema de que esta representació implicava una càrrega negativa infinita per a l'univers, i va intentar argumentar que nosatres percebríem este estat com l'estat normal de càrrega zero. Una atra dificultat que esta teoria trobava era la diferència entre les masses de l'electró i el protón. Ací Dirac va intentar solucionar-ho argumentant que açò es devia a les interaccions electromagnètiques en eixe "mar", fins que Hermann Weyl va provar que la teoria de buits era completament simètrica entre les càrregues negatives i positives. Dirac també va predir una reacció i^- + p⁺ → γ + γ (en la que l'electró i el protón s'aniquilaven per a donar dos fotons). Robert Oppenheimer i Ígor Tam varen provar que açò causaria que la matèria ordinària desapareguera massa corrents. Un any més vesprada, en 1931, Dirac va modificar la seua teoria i va postular el positrón, una partícula nova de la mateixa massa que l'electró. El descobriment d'eixa partícula l'any següent va eliminar les dos últimes objeccions a la seua teoria.

No obstant permaneixia el problema de la càrrega infinita de l'univers. També, com ara sabem, els bosones (partícules en spin sancer) també posseïxen antipartículas, pero estos no obedixen el principi d'exclusió de Pauli, aixina que la teoria dels buits no funciona en ells. La teoria quàntica de camps proporciona una interpretació unificada de les antipartículas, que resol abdós problemes.

Aniquilació partícula-antipartícula

Artícul principal → Aniquilació.

Un eixemple d'un parell de piones virtuals que influïxen en la propagació d'un kaón, fent que un kaón neutre es mescle en el antikaón. Est és un eixemple de renormalización en la teoria quàntica de camps, sent necessària la teoria de camps pel canvi en el número de partícules.

Si una partícula i la seua antipartícula es troben en els estats quàntics apropiats, llavors poden aniquilar-se l'una a l'atra i produir atres partícules. Les reaccions com:

i⁺  +  i^-  →  γ  +  γ

(aniquilació d'un parell electró-positrón en dos fotons) són un eixemple del procés.

L'aniquilació d'un parell electró-positrón en un sol fotó: i⁺  +  i^-  →  γ

no pot ocórrer perque és impossible que es conserven l'energia i el moment al mateix temps en este procés. La reacció inversa és també impossible per esta raó. No obstant, este fenomen s'observa en la naturalea; es pot crear un parell electró-positrón a partir d'un sol fotó en una energia d'a lo manco la massa d'abdós partícules: 1.022 MeV. Lo cert és que, segons la teoria quàntica de camps, este procés està permés com un estat quàntic intermig per a temps suficientment curts en els que la violació de la conservació de l'energia pot acomodar-se al principi d'incertitut d'Heisenberg. Açò obri la via per a la producció de parells virtuals o la seua aniquilació a on l'estat quàntic d'una sola partícula pot fluctuar en un estat quàntic de dos partícules i tornar al seu estat inicial. Estos processos són importants en el Buit quàntic i la renormalización d'una teoria quàntica de camps. També obri el camí per a una mescla de partícules neutres a través de processos com el mostrat ací, que és un eixemple complicat de la renormalización de la massa.