20. Antimateria (αντιµατερια)

RESUMEN

La materia y la antimateria están indisolublemente unidas y la razón de esto es la
inclusión de la energía en todos los elementos del sistema estándar de la física por la
formula de Einstein E= mc2 que nos dice que la materia es energía condensada . La
antimateria esta dentro de la propia materia de forma que sus cargas eléctricas
antagónicas se neutralicen. Solo cuando fotones muy energéticos de los rayos Cósmicos o
reordenamientos de núcleos radioactivos medianos a grandes actúan , es posible
visualizar a estas partículas que atrapan energía de todo tipo, en el marco de la materia
mas la antimateria. Es el plasma de quark-gluones y otras modalidades.
La materia en forma de partículas se une a las partículas de antimateria (teoria
del sandwich) mediante gluones dentro de la cromodinámica cuántica que es la fuerza
mas potente del Universo. La fuerza nuclear fuerte residual que une a protones y
neutrones es una prolongación de la fuerza de color. Tan grande es la fuerza de color
que permite la existencia de formaciones indestructibles como las estrellas de
neutrones. agujeros negros etc. No se pueden separar los quark-antiquark de los
gluones sin aportar enormes cantidades de energía muy focalizada mediante choques en
los grandes aceleradores.
La razón ultima y todavía no bien comprobada de la diferencia entre materia y
antimateria es que la primera aparece siempre por su mayor energía de acople basada
en su unión a los gluones en todos su colores y anticolores. En los decaimientos β + y β –
siempre predominan los negativos porque los positrones necesitan mas energía para su
formación y habitualmente se encuentran dentro del protón. La antimateria es esencial
para canalizar la energía hacia la materia pero no puede existir aislada .

La antimateria es la extensión del concepto de antipartícula a la materia. Así, la
antimateria es una forma de materia menos frecuentemente observada que está constituida
por antipartículas, en contraposición a la materia común, que está compuesta de partículas.
Por ejemplo, un antielectrón (e+)(un electrón con carga positiva, también llamado positrón) y
un antiprotón (p-)(un protón con carga negativa) podrían formar un átomo de antimateria,
de la misma manera que un electrón y un protón forman un átomo de hidrógeno. El contacto
entre materia y antimateria ocasiona su aniquilación mutua pero esto no significa su
destrucción, sino una transformacion que da lugar a fotones de alta energia ( rayos gamma )
mas otros pares de particula- antiparticula . La reacción e+ + e- → γ + γ se conoce
como aniquilación positrón-electrón. Consiste en la conversión casi total de la masa de
un electrón y un positrón en energía, que es la forma más observada de aniquilación partículaantipartícula. Puesto que la aniquilación de pares es un proceso fruto de la interaccion
electromagnetica la energía siempre se emitirá en forma de rayos gamma. Si las partículas se
mueven a velocidades mucho menores que la de la luz o se encuentran en reposo, se
producirán 2 fotones emitidos en la misma dirección pero con sentidos opuestos, cada uno
con una energía de 0.511 MeV, lo que coincide con las masas en reposo del electrón y del
positrón. Normalmente ambas partículas formarán previamente un estado ligado conocido
como positronio el cual es inestable y termina siempre con la aniquilación.
Las hipótesis científicas aceptadas suponen que en el origen del universo o Big Bang,
existían materia y antimateria en iguales proporciones. Sin embargo, el universo que
observamos está compuesto únicamente por partículas y no por antipartículas. Así, las
partículas y sus antipartículas tienen la misma masa, el mismo espín y la misma vida
media, pero valores opuestos de la carga fuerte, la carga débil, la carga eléctrica, el numero
bariónico, el numero leptónico y la helicidad (espín).
Posibilidades: a) Pequeño exceso de materia tras el Big Bang. b) Simetría CP: En
1964, James Cronin y Val Fitch postularon por primera vez que las partículas y las
antipartículas no tienen propiedades exactamente iguales o simétricas; este fenómeno se
denomina Violación CP. (Premio Nobel) (1) c) Existencia de galaxias de antimateria ligada
por antigravedad.
Ya que la ecuación de Dirac (2) se formuló originalmente para describir el electrón,
las referencias se harán respecto a electrones, aunque actualmente la ecuación se aplica a
otros tipos de partículas elementales de espín ½, como los quarks. Una ecuación
modificada de Dirac puede emplearse para describir de forma aproximada los protones y
los neutrones, formados ambos por partículas más pequeñas llamadas quarks (por este
hecho, a protones y neutrones no se les da la consideración de partículas elementales). La
ecuación de Dirac presenta la siguiente forma:

donde m es la masa en reposo del electrón, c la velocidad de la luz, p el operador de
momento, h-barrada la constante reducida de Planck, x y t las coordenadas del espacio y
el tiempo, respectivamente; y ψ (x, t) una función de onda de cuatro componentes. La
función de onda ha de ser formulada como un espinor (objeto matemático similar a
un vector que cambia de signo con una rotación de 2π descubierto por Pauli y Dirac). Ahora
bien , Paul Dirac aposto por unir la teoria Especial de la Relatividad de Einstein con la
Mecánica Cuántica en una sola formula. Esto se hizo en ese momento pero nunca se ha
repetido porque en general son incompatibles. La ecuación de P.Dirac arrojaba un
resultado absurdo. Pero el poder de la belleza movilizaba la creatividad y persistencia de
su autor. En un movimiento audaz, Dirac imaginó que quizás un electrón no podía tener
energía negativa porque todos esos estados ya estaban ocupados por otros electrones. El
físico austríaco Wolfgang Pauli había descubierto poco antes que dos electrones no pueden
estar simultáneamente en el mismo lugar y con el mismo espín, por lo que, si los estados
estuvieran ocupados, en la práctica sería como si no existieran. Esta ingeniosa solución
(electron con carga +), tenía graves consecuencias. Dirac estaba sosteniendo, en definitiva,
que el vacío, la ausencia de materia, lejos de ser el paraíso del espacio y el silencio, se
parecía más a un teatro repleto . El vacío estaría lleno de electrones ocupando las infinitos
asientos de energía negativa, como un mar sin fondo: el mar de Dirac. Los electrones con
carga + serian los huecos en este mar. Esta partícula que fue predicha por Paul Dirac en
1928, fue descubierta en 1932 por el físico estadounidense Carl David Anderson (3) al
fotografiar las huellas de los rayos cósmicos en una cámara de niebla. Esto lo cambio todo y
dio credibilidad a P.Dirac.(Tambien el Premio Nobel).
En realidad las especulaciones de P. Dirac muy bien apoyadas en su lógica
matemática se nos antojan hoy algo descabelladas y tremendamente especulativas. No
existe un mar de Dirac constituido por electrones ni huecos que representarían a los
positrones.
Poco a poco se fueron descubriendo por el mismo procedimiento (cámara de
niebla) partículas semejantes a las ya conocidas pero con cargas contrarias. La existencia
del antiprotón fue confirmada experimentalmente en 1955 por los físicos Emilio Segre
y Owen Chamberlain de la Universidad de Berkeley en California, por lo que ambos
fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1959 (4). Un antiprotón se
compone de dos antiquarks arriba(up) y un antiquark abajo(down) . Las propiedades
del antiprotón que se han medido coinciden todas con las propiedades correspondientes
del protón, con la excepción de que el antiprotón tiene carga eléctrica y momento
magnético opuestos. La cuestión de cómo la materia es diferente de la antimateria sigue
siendo un problema abierto.
En un protón, cuya carga es de +1, hay dos quarks arriba y uno quark abajo . Los
neutrones, sin carga, tienen un quark arriba y dos quarks abajo . Ahora bien, a través de
la interacción débil, los quarks pueden cambiar de un quark abajo a un quark arriba,
dando como resultado la emisión de electrones. La emisión de positrones ocurre cuando
un quark arriba se transforma en un quark abajo .
Para las desintegraciones de baja energía, la captura de electrones se ve favorecida
energéticamente por 2mec2 = 1.022 MeV, ya que el estado final tiene un electrón eliminado
en lugar de un positrón agregado. A medida que aumenta la energía de la descomposición,
también lo hace la relación de ramificación hacia la emisión de positrones. Sin embargo, si
la diferencia de energía es inferior a 2mec2, la emisión de positrones no puede ocurrir y la
captura de electrones es el único modo de descomposición. Ciertos isótopos que de otro
modo capturan electrones (por ejemplo, Berilio) son estables en la radiación cósmica,
porque los electrones se eliminan y la energía de desintegración es demasiado pequeña
para la emisión de positrones.
Cuando se expulsa un positrón del núcleo padre, el átomo hijo (Z-1) debe expulsar
un electrón orbital para equilibrar la carga. El resultado general es que la masa de dos
electrones se expulsa del átomo (uno para el positrón y otro para el electrón), y la
desintegración β+ solo es energéticamente posible si la masa del átomo principal supera la
masa del átomo secundario. por al menos dos masas de electrones (1.02 MeV).
En general se acepta que cada partícula material incluidos los mas pequeñas
(quarks) tiene su antipartícula de igual masa pero de carga contraria.
De forma global siempre se ha hablado de una asimetría entre la materia y la antimateria
y podría radicar en los quark de valencia. En la materia , estos no están acoplados con
antiquark y dan cuenta de su carga eléctrica. En la antimateria sucede lo mismo. Esto ha
sido comprobado para los electrones los protones los neutrones y los quarks. Pero el
intento de crear estructuras mas complejas como átomos de helio (el mayor He4) y
superiores no han tenido éxito aunque la teoría dice que toda la tabla de los elemento
de Mendeleyeff podria tener su antimateria exactamente igual aunque con carga y spin
contrarios.
En el experimento SeaQuest del laboratorio Fermilab en Chicago( década de
1990 en adelante), los investigadores han inferido que el interior del protón contiene un
exceso de antiquarts de tipo abajo (down) que serian un 40% mas abundantes que los
antiquarts de tipo up (arriba).
Gracias a los dispositivos de Penning que son un tipo de trampa iónica que
utiliza un campo eléctrico no homogéneo y un campo magnético homogéneo en una
dirección que llamaremos axial se puede aislar la antimateria e intentar unirla a otros
elementos diferentes para formar estructuras complejas.
Llegados a este punto, y sabiendo que la creación igualitaria de materia y
antimateria era debido al Big Bang según piensan muchos fisicos, ¿que sentido tendria la
presencia de la misma. ¿Cual es la necesidad de su existencia?. Uno de los principios de la
Naturaleza es que la simplicidad debe regir en lo posible todo. Si algo esta presente y
además tiene ese gran potencial que es trasformar casi el 100% de la materia (menos la
empleada en la emision de neutrinos) en energía , frente a ese peligro que ventajas tiene?.
Debe haber una lógica aunque no se nos muestre de forma clara. Partamos entonces hacia
la búsqueda de la antimateria dentro de un Universo de materia. La forma mas simple de
antimateria es el positrón. Posee la misma cantidad de masa y espín que el electrón; sin
embargo, su carga es de +1e, mientras que la del electrón es de -1e. No forma parte de
la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos
procesos radioquímicas como parte de transformaciones nucleares y en el choque de rayos
cósmicos contra la materia de la atmosfera. La emisión de positrones o radiactividad
beta es un subtipo de radiactividad llamado desintegración beta + en el cual un protón
dentro de un radioisótopo se convierte en un neutrón mientras se libera un positrón y
un neutrino electrónico (νe). La emisión de positrones está mediada por la fuerza débil.
El positrón es un tipo de partícula beta (β+), la otra partícula beta es el electrón
(β−) emitido por la desintegración β – de un núcleo. Debido a que la emisión de positrones
disminuye el número de protones en relación con el número de neutrones, la
descomposición de los positrones ocurre típicamente en grandes radionúclidos «ricos en
protones». La desintegración con positrones da como resultado la transmutación nuclear,
cambiando un átomo de un elemento químico por otro átomo de un elemento diferente con
un número atómico que es menor en una unidad.
Los isotopos que emiten positrones son: potasio 40, carbono-11, nitrógeno13, oxígeno-15, aluminio-26 , sodio-22, flúor-18 , yodo-124 y titanio 44 entre otros.
Toda la radiactividad beta sea positiva o negativa es de la llamada energia nuclear
débil y va acompañada de la emisión de neutrinos y antineutrinos (o particulas de Majorana).
Dentro de los protones y neutrones, hay partículas fundamentales llamados quarks. Los dos
tipos más comunes de quarks son quarks arriba(up), los cuales tienen una carga de +2/3,
y quarks abajo(down), con carga de −1/3 . Los quarks se organizan en grupos de tres de
manera que producen protones y neutrones. En un protón, cuya carga es de +1, hay dos
quarks arriba y uno quark abajo (2/3 + 2/3 − 1/3 = 1) y los neutrones, sin carga, tienen un
quark arriba y dos quarks abajo (2/3 − 1/3 − 1/3 = 0) . A través de la interacción débil, los
quarks pueden cambiar de sabor un quark abajo a un quark arriba, dando como resultado la
emisión de electrones y la emisión de positrones ocurre cuando un quark arriba se transforma
en un quark abajo . Los núcleos que se descomponen por emisión de positrones también
pueden descomponerse por captura de electrones y para las desintegraciones de baja energía,
la captura de electrones se ve favorecida energéticamente por 2mec2 = 1.022 MeV, (me = masa)
ya que el estado final tiene un electrón eliminado en lugar de un positrón agregado.
A medida que aumenta la energía de la descomposición, también lo hace la relación de
ramificación hacia la emisión de positrones. Ciertos isótopos que de otro modo capturan
electrones (por ejemplo, Berilio) son estables en la radiación cósmica, porque los electrones
se eliminan y la energía de desintegración es demasiado pequeña para la emisión de
positrones.
La interacción débil es crucial para la estructura del Universo ya que el sol no generaría
deuterio a partir del hidrogeno y no podría fusionarse dicho deuterio para generar energía
electromagnética (fotones). Además es clave para la formación de núcleos pesados.
Fue en la desintegración radiactiva beta donde primero se vio la interaccion débil mediada
por los bosones W y Z. Los neutrinos no tienen carga pero participan en las interacciones
débiles.
Quark y antiquark. Los quarks no se encuentran libres en la naturaleza y se
agrupan formando hadrones. Estos se dividen en dos tipos: Mesones: formados por un
quark y un antiquark (piones, kaones,…) y Bariones: formados por tres quarks
(protones, neutrones,…). Los protones no se consideran partículas elementales, sino
partículas compuestas por tres partículas elementales de espín 1/2 dos quarks arriba y
un quark abajo, las cuales también están unidas por la fuerza nuclear fuerte mediada
por gluones. La masa de estos tres cuarks solo supone un 1 % de la masa del protón y el
resto proviene del cómputo de la energía de enlace al considerar el mar de gluones y
los pares quark-antiquark que los rodean (Experimento SeaQuest en el Laboratorio
Fermilab en Chicago)). La evidencia de que el protón no era una partícula elemental ,
proviene de experimentos realizados durante los años 1970 reformulados dentro de
la cromodinámica cuántica. Los 3 quark con carga eléctrica fraccionaria se llaman de
Valencia , pero hay muchos mas, que unidos a los antiquark por medio de gluones
forman un plasma enormemente energético que da cuenta de la verdadera masa de los
protones y neutrones. La formula de Einstein E= mc2 nos indica que la energía se
trasforma en materia gracias a la unión de materia y antimateria+ gluones y
probablemente de neutrinos . La única fuerza que puede actuar sobre los quark de
valencia para cambiar uno por otro up por down y viceversa es la fuerza nuclear débil.
Ahora parece mucho mas claro que la misión de la antimateria es capturar la
energía que rodea a los núcleos para fijarla en forma de partículas y por ello no se la
descubre de forma independiente excepto en la física de altas energías. En cuanto a los
átomos de antimateria, no se sabe si existen en la naturaleza en algún lugar del
Universo; los únicos que hemos conocido fueron creados en laboratorios, entre 1995 y
2018, sobre todo en la Factoría de Antimateria del CERN, donde volverán a producirse a
partir de 2020.
En el 2011, se publicó un artículo en el que se informaba de la detección por medio del
satélite PAMELA de un significativo flujo natural de antiprotones, de mayor densidad en
la zona de la Anomalía del Atlántico Sur de los cinturones de Van Allen en la atmosfera
terrestre.
Un rasgo muy distintivo de la antimateria es que al entrar en contacto con la materia
ambas se aniquilan entre si. Si el encuentro entre una partícula y su antipartícula tiene lugar
a pequeñas velocidades es decir, a bajas energías, el resultado de la aniquilación consiste
solo en fotones; pero si la colisión ocurre con energías suficientemente altas (cerca de la
velocidad de la luz, c)también se pueden crear otras partículas y antipartículas, además de
fotones. Este fenómeno sucede de manera habitual en las colisiones entre partículas, y se
debe a la consabida formula de Einstein de la conversión entre masa y energía, E = mc2, por
la cual parte de la energía de la colisión puede invertirse en crear partículas y antipartículas
con masas a su alcance, excitando sus campos cuánticos.
Como los fotones no tienen masa, no se requiere un umbral de energía para que
estos se produzcan. También hay que señalar que la aniquilación materia-antimateria es el
proceso mas energético que existe. Por ejemplo, un gramo de antimateria lanzado sobre
nuestro planeta produciría una deflagración equivalente a casi tres veces la bomba atómica
que destruyo Hiroshima en 1945 (15 kilotones de TNT) . A pesar de ello, no es posible
utilizar la aniquilación materia-antimateria para cubrir las necesidades energéticas de
nuestra sociedad, como hacemos con la energía nuclear de fisión; de hecho, estamos muy
lejos de poder conseguirlo. La razón fundamental es que con la tecnología actual solo es
posible producir cantidades irrisorias de antimateria y además a costa de un gigantesco
esfuerzo, tanto tecnológico como energético y financiero.
Vemos que una fuente de asimetría entre materia y antimateria es que decaimiento
beta es diferente entre el + y el negativo(-) , a favor del negativo que es mas eficiente al
necesitar menos energía. Otra fuente es que la unión de los quark y antiquarks la fuerza
entre quarks, llamada interacción nuclear fuerte, es representada metafóricamente por el
color. Cada una de las seis clases (o «sabores») de quarks pueden existir en uno de los 3
colores primarios: rojo, verde y azul. Los gluones compuestos de un color y un anti-color
(cyan, magenta y amarillo) son intercambiados constantemente entre los quarks. Así,
aunque los sabores permanecen constantes, un protón (up-up-down) sigue siendo un
protón, y los colores están cambiando constantemente. Esta es una metáfora de cómo los
quarks se mantienen juntos. La familia completa de gluones consta de 8 miembros, dos de
ellos no intercambian color: En teoria los quarks parecen muy grandes, pero en realidad
son bastante pequeños. Se cree que un «quark up» es menor que 10 -3 veces el tamaño del
protón.
Nadie sabe aún cómo de pequeños son realmente los quarks (y gluones) y este es
uno de los objetivos de los actuales experimentos en física de partículas. Además de estas 6
clases (sabores) de quarks, hay otras 6 clases (sabores) de anti-quarks. Estos se combinan
en grupos de 3 para formar antipartículas como los antiprotones o antineutrones. Pueden
un quark y un antiquark combinarse para formar una partícula? Sí. Estas partículas se
llaman mesones, y hay cientos de ellas conocidas. El quark y el antiquark se mantienen
fuertemente unidos formando un mesón mediante el intercambio de gluones de color.
Desde luego, la naturaleza es mucho más complicada, los gluones están cambiando
constantemente y quizás su acoplamiento con la materia sea mas fuerte que con la
antimateria haciendo que la primera predomine.
Neutrinos: El neutrino (término que en italiano significa ‘neutrón
pequeño’), descubierto por Clyde Cowman y Federick Reines, (5) es una partícula
subatómica de tipo fermiónico, sin carga y con espín ½. Desde principios del siglo XXI,
después de varios experimentos llevados a cabo en las instalaciones del Observatorio de
Neutrinos de Sudbury (SNO), en Canadá, y en el Super-Kamiokande en Japón, entre
otros, se sabe, contrariando al modelo electrodébil, que estas partículas tienen masa,
pero muy pequeña, y es muy difícil medirla. Hasta 2016, la cota superior de la masa de
los neutrinos es 5,5 eV/c2, lo que significa menos de una milmillonésima parte de la
masa de un átomo de hidrógeno. Además, su interacción con las demás partículas es
mínima, por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla.
La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de
la física de partículas, ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres
tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos.
En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por las fuerzas electromagnéticas
o nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y por la gravitatoria. La existencia
del neutrino fue propuesta en 1930 por el físico Wolfgang Pauli (6 ) para compensar la
aparente pérdida de energía y momento lineal en la desintegración β- de
los neutrones según la siguiente ecuación:

Rayo gamma en verde. Electron ,espiral verde. Positron ,espiral roja.

BIBLIOGRAFIA

1) Simetría CP: En 1964, James Cronin y Val Fitch Violación CP. (Premio Nobel)
2) P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. A117 610 (1928)

            3)  Carl    David   Anderson,   1932.   Premio  nobel       

         4)  Emilio Segre y Owen    Chamberlain de  la  Universidad de  Berkeley    en  California, 
                             1955   ,               descubrimiento  del antiproton,por  lo  que ambos   fueron  galardonados    
                                con el Premio   Nobel   de  Física en   1959.

5) Clyde Cowman y Federick Reines, El experimento del neutrino,
o experimento del neutrino de Cowan y Reines, 1956.
6) ENZ, Charles P. No Time to be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli
(en inglès). Oxford University Press, 2002. ISBN 978-0-19-958815-2.