Antipartículas, esas cosas raras

De vez en cuando se oye en varias noticias eso de “antipartículas“, algo que nos suena más bien a ciencia ficción o destrucción total. Pero… 

¿ qué son realmente y de dónde surgen las antipartículas ?

Antipartículas

Conocemos que toda la materia está formada por unas “pocas” partículas, fundamentalmente protones, neutrones y electrones

 (hay muchas otras, pero atengámonos a las básicas).

Cada una de ellas tiene una masa, carga (positiva, negativa o neutra) y spin (algo así como un “giro” de la partícula) propio,

 y diferente de el de otra partícula.

Ahora, ¿ qué ocurriría si tenemos, por ejemplo, un electrón, con todas sus características comunes, pero con una carga positiva, en vez de negativa ?

Pues que tenemos lo que se conoce como positrón

 (la antipartícula del electrón).

Eso son las antipartículas, una partícula normal, pero que tiene una carga contraria a la que solemos observar.

Así, tenemos el antiprotón, el positrón o el antineutrón.

Aquí, cabe comentar que, como el neutrón tiene carga cero, su antipartícula sería ella misma. 

Sin embargo, hemos visto que el neutrón está compuesto de 3 quarks, y estos sí tienen carga. 

Por lo tanto, un neutrón sí se diferencia de su antineutrón en que está formado por antiquarks, en vez de quarks.

Descubrimiento teórico

Como en muchos sucesos de la física, primero se encontró teóricamente su existencia, y después llegó la comprobación experimental.

Esta predicción vino de Dirac, uno de los grandes científicos que contribuyó notablemente en la mecánica cuántica.

Una vez Schrödinger hubo descrito el “estado” de cualquier partícula mediante una ecuación de ondas (recordemos que la primera contribución de la mecánica cuántica fue que determinaba que todos los objetos son ondas y partículas a la vez, y que toda su información viene descrita por una ecuación de ondas) solo quedaba una cosa para tener una teoría completa, y esto era la descripción para sistemas relativistas (que se mueven a velocidades próximas a la de la luz).

Por supuesto, esto requería conjugar la nueva teoría cuántica, con la relatividad de Einstein.

El problema llegó cuando Klein y Gordon obtuvieron una ecuación, 

en la que, entre otros problemas, se predecía que cualquier sistema pudiera tener energía negativas sin ningún límite inferior.

Esto, que en principio puede que no nos parezca mucha complicación, tiene un gran inconveniente: conociendo que la naturaleza siempre tiende al mínimo de energía, significaría que todo estaría en caída contínua, perdiendo energía, cosa que obviamente no vemos:

 un electrón se mantiene orbitando al núcleo en un átomo y no sigue descendiendo hacia el protón y continúa “más allá”.

Esta fue la razón por la que los propios autores rechazaron su ecuación.

Sin embargo, cuando Dirac, a través de otro razonamiento, llegó a otra ecuación distinta, también relativista, que describía muy bien el comportamiento de los electrones, se dio cuenta que le ocurría lo mismo: existían infinitos niveles de energía negativa.

Pero la genialidad de Dirac le hizo no rechazarla:

si suponemos (esto era su hipótesis) que estos niveles están completos con partículas (ojo, con esto, de repente tendríamos infinitas partículas en unos niveles de energía que no se comprendían), entonces todo funcionaría como lo vemos, ya que al estar completos, la partícula no podría caer a éstos.

¿ Y qué ocurre si una de esas partículas que ocupan esos niveles “saltara” a uno de los de energía positiva (los normales) ?

Pues que veríamos como si (una de las palabras mágicas en la física) hubiera una partícula normal, pero de carga contraria, debido 

al “hueco” que se ha creado.

Y esto es lo que denominamos antipartícula

Descubrimiento experimental

Una vez hecha la predicción teórica…

 solo hace falta la confirmación experimental de que realmente es así.

Y ésta llegó de la mano Carl Anderson en 1932 dentro de una cámara de niebla, una “caja” con agua en unas condiciones de temperatura y presión determinadas y un campo magnético, de forma que cuando viaja una partícula cargada eléctricamente, deja una “estela”,

 y partículas de diferente carga viajan en direcciones opuestas.

Aquí, observó que cuando incidía un rayo cósmico, se producía 

un electrón y un positrón (su antipartícula), saliendo de forma análoga a lo que vemos en el dibujo de la izquierda.

Hoy en día se conoce que cuando un fotón (un rayo de luz) con suficiente energía (rayo X o gamma) viaja por un medio donde hay varios núcleos (es decir, en el vacío no se produce), hay una probabilidad alta de que éste se desintegre en un par electrón-positrón.

Por supuesto, el suceso contrario se produce muchas veces también: 

un electrón y un positrón que se encuentran, automáticamente

 se destruyen siempre, produciendo dos fotones.

¿ Por qué no vemos más antimateria?

La pregunta que nos podemos hacer llegados a este punto es… 

¿ por qué todo lo que vemos es “materia” (formada por partículas) y no vemos antimateria (formada por antipartículas) ?, 

porque en principio la intuición nos diría que habría una cantidad semejante de ambas.

Y esta es una de las preguntas fundamentales que hay en la física actual sin resolver. 

A lo que se ha llegado es que después del Big Bang, el número que había de materia y antimateria tenía un ligero predominio de la primera (de 1 partícula más cada 10 mil millones), lo cual originó que al irse destruyendo mutuamente, sobreviviera una de las dos formas.

Claro que que a esto lo llamemos materia y a lo otro antimateria solo es porque es lo “raro”, pero de igual forma el Universo podría haber estado constituído de “antimateria” y no habría ningún cambio en absoluto.

Nuevas interpretaciones

Cabe destacar, que con la Teoría cuántica de campos (la teoría actual que mejor describe todas las partículas y sus interacciones), ya no es necesaria la interpretación de Dirac de las antipartículas como “huecos dentro de un mar de partículas”, con todos los problemas que esto traía (la existencia de una carga infinita, por ejemplo).

Posibles aplicaciones

Ahora, una vez conocido que existe las antipartículas (o antimateria), cabe preguntarse qué usos se puede extraer de ellas.

Por supuesto, aunque es relativamente fácil obtener positrones, es más complicado almacenarlos, ya que esto se debe hacer con campos magnéticos muy fuertes de forma que no se les permita acercarse 

a ningún electrón (lo que llevaría a la destrucción de ambos).

La gran ventaja que sí se podría sacar es que la conversión de materia-antimateria en radiación (al destruirse mutuamente) es eficiente

 al 100%: toda la “materia” inicial se convierte en radiación.

Puesto que cualquier transformación de energía actual no tiene una eficiencia más allá del 20% normalmente, esto supondría la posibilidad de crear motores con una eficiencia sin precedentes, por ejemplo, para naves espaciales.

Esta es una de las investigaciones donde más se está profundizando, aunque debido al costoso mantenimiento de tener antimateria, todavía no se ha podido hacer demasiado viable y aún no se ha probado ningún motor así, pero las aplicaciones que se están intentando son prometedoras.