Antipartícula

Antipartícula
correspondencia matemática (es)
partícula (es)

División del universu en materia y antimateria.

A la mayor parte de les partícules de la naturaleza correspuénde-y una antipartícula que tien la mesma masa, el mesmu espín, pero contraria carga llétrica. Delles partícules son idéntiques a la so antipartícula, como por casu el fotón, que nun tien carga. Pero non toles partícules de carga neutra son idéntiques a la so antipartícula. Siempres albidremos de que les lleis de la naturaleza paecíen ser diseñaes por que tou fuera simétricu ente partícules y antipartícules hasta que los esperimentos de la llamada violación CP (violación carga-paridá) atoparon que la simetría temporal violar en ciertos sucesos de la naturaleza. L'escesu reparáu de bariones con al respective de los anti-bariones, nel universu, ye unu de los principales problemes ensin respuesta de la cosmoloxía.

Los pares partícula-antipartícula pueden aniquilase ente ellos si atopar nel estáu cuánticu apropiáu. Estos estaos pueden producise en dellos procesos. Estos procesos usar nos aceleradores de partícules pa crear nueves partícules y probar les teoríes de la física de partícules. Los procesos d'altes enerxíes na naturaleza pueden crear antipartícules, y éstos son visibles por cuenta de los rayos cósmicos y en ciertes reacciones nucleares. La pallabra antimateria referir a les antipartícules elementales, los compuestos d'antipartícules fechos con estes (como'l antihidrógeno) y formaciones mayores que pueden faese con ellos.

Historia

L'esperimentu

En 1932, pocu dempués de la predicción del positrón por Dirac, Carl D. Anderson atopó que los choques de los rayos cósmicos producíen estes partícules dientro d'una cámara de borrina— un detector de partícules onde los electrones o los positrones que se mueven al traviés d'él dexen detrás d'ellos trayectories, marcando'l so movimientu pol gas. La rellación ente la carga llétrica y la masa d'una partícula puede midise reparando les curves que marquen nel so camín pola cámara de borrina dientro d'un campu magnéticu. Orixinalmente los positrones, por cuenta de que les sos trayectories tamién se curvaban, fueron confundíos con electrones que viaxaben na direición opuesta.

El antiprotón y el antineutrón fueron atopaos por Emilio Segrè y Owen Chamberlain en 1955, na universidá de California. Dende entós creáronse les antipartícules de munches otres partícules subatómiques nos esperimentos con aceleradores de partícules. N'años recién, consiguióse xenerar átomos completos d'antimateria compuestos por antiprotones y positrones, recoyíos en trampes electromagnétiques.

La teoría de Giovanni

...el desarrollu de la teoría cuántica de campos fixo innecesaria la interpretación de les antipartícules como buecos, inclusive anque desafortunadamente entá persiste en munchos llibros de testu.

Les soluciones de la ecuación de Dirac conteníen estaos cuánticos d'enerxía negativa. Como resultáu un electrón siempres podría radiar enerxía cayendo nun estáu d'enerxía negativa. Inclusive peor qu'eso, podría tar radiando una cantidá infinita d'enerxía porque habría disponibles infinitos estaos d'enerxía negativa. Pa resolver esta situación que diba contra la física, Dirac postuló qu'un "mar" d'electrones d'enerxía negativa enllenaben l'universu, yá ocupando tolos estaos d'enerxía negativa de forma que, debíu al principiu d'esclusión de Pauli nengún otru electrón podría cayer nellos. Sicasí, dacuando, una d'estes partícules con enerxía negativa podría ser alzada dende esti mar de Dirac a un nivel d'enerxía mayor pa convertise nuna partícula d'enerxía positiva. Pero, cuando yera alzada, esta partícula dexaba un buecu detrás nel mar, qu'actuaría esautamente como un electrón d'enerxía positiva pero con carga contraria. Dirac interpretó estos electrones inversos como protones, y llamó por eso al so artículu de 1930 Una teoría d'electrones y protones.

Dirac yá yera consciente del problema de qu'esta representación implicaba una carga negativa infinita pal universu, ya intentó argumentar que nós percibiríamos esti estáu como l'estáu normal de carga cero. Otra dificultá qu'esta teoría atopaba yera la diferencia ente les mases del electrón y el protón. Equí Dirac intentó solucionalo argumentando qu'esto se debía a les interacciones electromagnétiques con esi "mar", hasta que Hermann Weyl probó que la teoría de buecos yera dafechu simétrica ente les cargues negativu y positivu. Dirac tamién predixo una reacción y^- + p⁺ → γ + γ (na que l'electrón y el protón aniquilar pa dar dos fotones). Robert Oppenheimer y Igor Tamm probaron qu'esto causaría que la materia ordinario sumiera demasiáu apriesa. Un añu más tarde, en 1931, Dirac modificó la so teoría y postuló el positrón, una partícula nueva de la mesma masa que l'electrón. El descubrimientu d'esa partícula l'añu siguiente esanició los dos últimes oxeciones a la so teoría.

Sicasí permanecía'l problema de la carga infinita del universu. Tamién, como agora sabemos, los bosones (partícules con spin enteru) tamién tienen antipartícules, pero éstos nun obedecen el principiu d'esclusión de Pauli, asina que la teoría de los buecos nun funcionar con ellos. La teoría cuántica de campos apurre una interpretación unificada de les antipartícules, que resuelve dambos problemes.

Aniquilación partícula-antipartícula

Artículu principal: Aniquilación

Si una partícula y la so antipartícula atopar nos estaos cuánticos apropiaos, entós pueden aniquilase la una a la otra y producir otres partícules. Les reacciones como:

y⁺  +  y^-  →  γ  +  γ

(aniquilación d'un par electrón-positrón en dos fotones) son un exemplu del procesu.

L'aniquilación d'un par electrón-positrón nun solu fotón: y⁺  +  y^-  →  γ nun puede asoceder porque ye imposible que se caltengan la enerxía y el momentu al empar nesti procesu. La reacción inversa ye tamién imposible por esta razón. Sicasí, esti fenómenu reparar na naturaleza; puédese crear un par electrón-positrón a partir d'un solu fotón con una enerxía de siquier la masa de dambes partícules: 1.022 MeV. Lo cierto, ye que según la teoría cuántica de campos esti procesu ta dexáu como un estáu cuánticu entemediu pa tiempos abondo curtios nos que la violación del caltenimientu de la enerxía puede afaese al principiu d'incertidume de Heisenberg. Esto abre la vía pa la producción de pares virtuales o la so aniquilación onde l'estáu cuánticu d'una sola partícula puede fluctuar nun estáu cuánticu de dos partícules y volver al so estáu inicial. Estos procesos son importantes nel estáu vacíu y la renormalización d'una teoría cuántica de campos. Tamién abre'l camín pa una amiestu de partícules neutres al traviés de procesos como l'amosáu equí, que ye un exemplu complicáu de la renormalización de la masa.

Propiedaes de les antipartícules

Los estaos cuánticos d'una partícula y de la so antipartícula pueden intercambiase aplicando la simetría de carga (C), paridá (P), y la simetría temporal (T). Si |p,σ,n> ye l'estáu cuánticu d'una partícula (n), con momentu p, espín J que'l so componente na direición z ye σ, entós vamos tener

CPT |p,σ,n>  =  (-1)^J-σ |p,-σ,n^c>,

onde n^c ye l'estáu de carga conxugáu, esto ye, l'antipartícula. Esti comportamientu so CPT ye'l mesmu qu'establez qu'una partícula y la so antipartícula tán na mesma representación irreducible del grupu de Poincaré. Les propiedaes de les antipartícules pueden rellacionase asina coles de les partícules. Si T ye una bona simetría de la dinámica, entós

T |p,σ,n>  α  |-p,-σ,n>

CP |p,σ,n>  α  |-p,σ,n^c>

C |p,σ,n>  α  |p,σ,n^c>,

onde'l signu de proporcionalidad indica que podría esistir un términu de fase nel llau derechu de la ecuación. N'otres pallabres, la partícula y la so antipartícula tienen de tener:

• La mesma masa m,
• el mesmu estáu d'espín J,
• cargues llétriques opuestes q y -q.

Teoría Cuántica de Campos

Esta seición utiliza les idees, el llinguaxe y la notación usada na cuantización canónica de la teoría cuántica de campos.

Puede intentase cuantizar el campu d'un electrón ensin entemecer los operadores de creación y aniquilación escribiendo:

ψ(x)  =  ∑_k o_k(x) a_k y^{-i Y(k)t},

onde se ta usando'l símbolu k pa denotar los númberos cuánticos p y σ de les seiciones anteriores, el signu de la enerxía Y(k) y a_k denota los operadores correspondientes d'aniquilación. De xacíu, como tamos tratando con fermiones, los operadores tendrán de satisfaer les rellaciones canóniques anticonmutativas. Sicasí, si escribimos l'Hamiltoniano

H  =  ∑_k Y(k) a⁺_k a_k,

vemos darréu que'l valor esperáu de H nun precisa ser positivu. Esto asocede porque Y(k) puede tener cualquier signu posible, y la combinación d'operadores de creación y d'aniquilación tien valor esperáu 1 o 0.

Asina pos se debe introducir el campu antipartícula de carga conxugada colos sos propios operadores de creación y d'aniquilación que satisfaigan les siguientes rellaciones:

b_k'  =  a⁺_k y b⁺_k'  =  a_k

onde k' tien el mesmu p, σ y signu de la enerxía opuestos. Asina podemos reescribir el campu na forma:

ψ(x)  =  ∑_k(+) o_k(x) a_k y^{-i Y(k)t}  +  ∑_k(-) o_k(x) b⁺_k y^{-i Y(k)t},

onde'l primera sumatorio realízase sobre los estaos positivos d'enerxía y el segundu sobre los d'enerxía negativa. La enerxía entós tresfórmase en

H  =  ∑_k(+) Y(k) a⁺_k a_k  +  ∑_k(-) |Y(k)| b⁺_k b_k  +  Y₀,

onde Y₀ ye una constante infinita negativa. El estáu vacíu defínese como l'estáu que nun contién nenguna partícula nin antipartícula, esto ye, a_k |0> = 0 y b_k |0> = 0. D'esta forma la enerxía del vacíu va ser esautamente Y₀. Como toles enerxíes midir con respectu al vaciu, H va ser definitivamente positiva. Un analís de les propiedaes de ak y de bk amuesa qu'unu ye l'operador d'aniquilación pa les partícules y l'otru pa les antipartícules. Este ye'l casu d'un fermión.

Esti aproximamientu deber a Vladimir Fock, Wendell Furry y Robert Oppenheimer. Si se cuantiza un campu esguilar real, entós atópase que solo hai una clase d'operador d'aniquilación, asina pos los campos esguilares describen a los bosones neutros. Como los campos esguilares complexos almiten dos clases distintos d'operadores d'aniquilación, que tán rellacionaos por conxugación, esos campos describen bosones cargaos.

La interpretación de Feynman y Stueckelberg

Considerando l'espardimientu escontra tres nel tiempu de la metá del campu del electrón que tien enerxíes positives, Richard Feynman amosó que se violaba la causalidá nun siendo que se dexara que delles partícules viaxaren más rápides que la lluz. Pero si les partícules pudieren viaxar más rápidu que la lluz entós, dende'l puntu de vista d'otru observador inercial paecería como si tuviera viaxando tres nel tiempu y con carga opuesta.

D'esta forma Feynman llegó a entender de forma gráfica'l fechu de que la partícula y la so antipartícula tuvieren la mesma masa m y spin J pero cargues opuestes. Esto dexó-y reescribir la teoría de perturbaciones de forma precisa en forma de diagrames, llamaos diagrames de Feynman, con partícules viaxando alantre y tres nel tiempu. Esta téunica ye agora la más estendida pa calcular amplitúes na teoría cuántica de campos.

Esti gráficu foi desenvueltu de forma independiente por Ernest Stueckelberg, y por eso haise dau en llamar la interpretación de Feynman y Stueckelberg de les antipartícules.

Ver tamién

• Antimateria
• Teoría cuántica de campos

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