Antipartículas

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En física de partículas, cada tipo de partícula está asociada con una antipartícula con la misma masa pero con cargas físicas opuestas (como la carga eléctrica). Por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón (también conocido como antielectrón). Mientras que el electrón tiene una carga eléctrica negativa, el positrón tiene una carga eléctrica positiva y se produce naturalmente en ciertos tipos de desintegración radiactiva. Lo contrario también es cierto: la antipartícula del positrón es el electrón.

Algunas partículas, como el fotón, son su propia antipartícula. De lo contrario, para cada par de compañeros de antipartículas, uno se designa como la partícula normal (la que ocurre en la materia con la que generalmente interactúa en la vida diaria). El otro (generalmente con el prefijo "anti-") se denomina antipartícula.

Los pares de partículas y antipartículas pueden aniquilarse entre sí, produciendo fotones; como las cargas de la partícula y la antipartícula son opuestas, la carga total se conserva. Por ejemplo, los positrones producidos en la desintegración radiactiva natural se aniquilan rápidamente con los electrones, produciendo pares de rayos gamma, un proceso explotado en la tomografía por emisión de positrones.

Las leyes de la naturaleza son casi simétricas con respecto a las partículas y antipartículas. Por ejemplo, un antiprotón y un positrón pueden formar un átomo de antihidrógeno, que se cree que tiene las mismas propiedades que un átomo de hidrógeno. Esto lleva a la pregunta de por qué la formación de materia después del Big Bang resultó en un universo compuesto casi por completo de materia, en lugar de ser una mezcla mitad y mitad de materia y antimateria. El descubrimiento de la violación de la paridad de carga ayudó a arrojar luz sobre este problema al mostrar que esta simetría, que originalmente se pensó que era perfecta, era solo aproximada.

Debido a que la carga se conserva, no es posible crear una antipartícula sin destruir otra partícula de la misma carga (como es el caso, por ejemplo, cuando las antipartículas se producen naturalmente a través de la desintegración beta o la colisión de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre), o por la creación simultánea de una partícula y su antipartícula, que puede ocurrir en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Aunque las partículas y sus antipartículas tienen cargas opuestas, las partículas eléctricamente neutras no necesitan ser idénticas a sus antipartículas. El neutrón, por ejemplo, está hecho de quarks, el antineutrón de antiquarks, y se distinguen entre sí porque los neutrones y los antineutrones se aniquilan entre sí al entrar en contacto. Sin embargo, otras partículas neutras son sus propias antipartículas, como fotones, bosones Z,π mesones, gravitones hipotéticos y algunos WIMP hipotéticos.

Historia

Experimento

En 1932, poco después de la predicción de los positrones por Paul Dirac, Carl D. Anderson descubrió que las colisiones de rayos cósmicos producían estas partículas en una cámara de niebla, un detector de partículas en el que los electrones (o positrones) en movimiento dejan rastros a medida que se mueven a través de la gas. La relación carga eléctrica/masa de una partícula se puede medir observando el radio de curvatura de su trayectoria en la cámara de nubes en un campo magnético. Los positrones, debido a la dirección en que se curvaban sus caminos, al principio se confundieron con electrones que viajaban en la dirección opuesta. Los caminos de positrones en una cámara de niebla siguen el mismo camino helicoidal que un electrón pero giran en dirección opuesta con respecto a la dirección del campo magnético debido a que tienen la misma magnitud de relación carga-masa pero con carga opuesta y, por lo tanto, relaciones de carga a masa con signo opuesto.

El antiprotón y el antineutrón fueron encontrados por Emilio Segrè y Owen Chamberlain en 1955 en la Universidad de California, Berkeley. Desde entonces, las antipartículas de muchas otras partículas subatómicas se han creado en experimentos con aceleradores de partículas. En los últimos años, se han ensamblado átomos completos de antimateria a partir de antiprotones y positrones, recogidos en trampas electromagnéticas.

Teoría del agujero de Dirac

... el desarrollo de la teoría cuántica de campos hizo innecesaria la interpretación de las antipartículas como agujeros, aunque persiste en muchos libros de texto.

steven weinberg

Las soluciones de la ecuación de Dirac contienen estados cuánticos de energía negativa. Como resultado, un electrón siempre podría irradiar energía y caer en un estado de energía negativa. Peor aún, podría seguir irradiando cantidades infinitas de energía porque había infinitos estados de energía negativa disponibles. Para evitar que suceda esta situación no física, Dirac propuso que un "mar" de electrones de energía negativa llene el universo, ocupando ya todos los estados de menor energía para que, debido al principio de exclusión de Pauli, ningún otro electrón pueda caer en ellos.. A veces, sin embargo, una de estas partículas de energía negativa podría salir de este mar de Dirac para convertirse en una partícula de energía positiva. Pero, cuando se levanta, deja un agujeroen el mar que actuaría exactamente como un electrón de energía positiva con una carga invertida. Estos agujeros fueron interpretados como "electrones de energía negativa" por Paul Dirac y erróneamente identificados con protones en su artículo de 1930 Una teoría de electrones y protones. Sin embargo, estos "electrones de energía negativa" resultaron ser positrones y no protones.

Esta imagen implicaba una carga negativa infinita para el universo, un problema del que Dirac era consciente. Dirac trató de argumentar que percibiríamos esto como el estado normal de carga cero. Otra dificultad era la diferencia de masas del electrón y el protón. Dirac trató de argumentar que esto se debía a las interacciones electromagnéticas con el mar, hasta que Hermann Weyl demostró que la teoría de los agujeros era completamente simétrica entre cargas negativas y positivas. Dirac también predijo una reacciónmi + pags → γ + γ, donde un electrón y un protón se aniquilan para dar dos fotones. Robert Oppenheimer e Igor Tamm, sin embargo, demostraron que esto haría que la materia ordinaria desapareciera demasiado rápido. Un año después, en 1931, Dirac modificó su teoría y postuló el positrón, una nueva partícula de la misma masa que el electrón. El descubrimiento de esta partícula al año siguiente eliminó las dos últimas objeciones a su teoría.

Dentro de la teoría de Dirac, permanece el problema de la carga infinita del universo. Algunos bosones también tienen antipartículas, pero dado que los bosones no obedecen el principio de exclusión de Pauli (solo lo hacen los fermiones), la teoría de los agujeros no funciona para ellos. Ahora está disponible una interpretación unificada de las antipartículas en la teoría cuántica de campos, que resuelve ambos problemas describiendo la antimateria como estados de energía negativa del mismo campo de materia subyacente, es decir, partículas que retroceden en el tiempo.

Aniquilación partícula-antipartícula

Si una partícula y una antipartícula están en los estados cuánticos apropiados, entonces pueden aniquilarse entre sí y producir otras partículas. Reacciones tales comomi + mi → γγ(la aniquilación de dos fotones de un par electrón-positrón) son un ejemplo. La aniquilación de un solo fotón de un par electrón-positrón,mi + mi → γ, no puede ocurrir en el espacio libre porque es imposible conservar la energía y el momento juntos en este proceso. Sin embargo, en el campo de Coulomb de un núcleo, la invariancia traslacional se rompe y puede ocurrir la aniquilación de un solo fotón. La reacción inversa (en el espacio libre, sin núcleo atómico) también es imposible por esta razón. En la teoría cuántica de campos, este proceso solo se permite como un estado cuántico intermedio durante tiempos lo suficientemente cortos como para que el principio de incertidumbre pueda acomodar la violación de la conservación de la energía. Esto abre el camino para la producción o aniquilación de pares virtuales en los que un estado cuántico de una partícula puede fluctuar.en un estado de dos partículas y viceversa. Estos procesos son importantes en el estado de vacío y la renormalización de una teoría cuántica de campos. También abre el camino para la mezcla de partículas neutras a través de procesos como el que se muestra aquí, que es un ejemplo complicado de renormalización de masas.

Propiedades

Los estados cuánticos de una partícula y una antipartícula se intercambian mediante la aplicación combinada de conjugación de carga $C$ , paridad $PAGS$ e inversión del tiempo $T$ . $C$ y $PAGS$ son operadores lineales, unitarios, $T$ es antilineal y antiunitario, ${displaystyle langle Psi |T,Phi rangle =langle Phi |T^{-1},Psi rangle }$ . Si $|p,sigma,nrango$ denota el estado cuántico de una partícula $norte$ con cantidad de movimiento $pags$ y espín $j$ cuya componente en la dirección z es $sigma$ , entonces se tiene $CPT |p,sigma,nrangle = (-1)^{J-sigma } |p,-sigma,n^{c}rangle,$

donde ${ estilo de visualización n^{c}}$ denota el estado conjugado de carga, es decir, la antipartícula. En particular, una partícula masiva y su antipartícula se transforman bajo la misma representación irreducible del grupo de Poincaré, lo que significa que la antipartícula tiene la misma masa y el mismo giro.

Si $C$ , $PAGS$ y $T$ se pueden definir por separado en las partículas y antipartículas, entonces $T |p,sigma,nrangle propto |-p,-sigma,nrangle,$ $CP |p,sigma,nrangle propto |-p,sigma,n^{c}rangle,$ $C |p,sigma,nrangle propto |p,sigma,n^{c}rangle,$

donde el signo de proporcionalidad indica que podría haber una fase en el lado derecho.

Como ${displaystyle CPT}$ anticonmuta con las cargas, ${displaystyle CPT,Q=-Q,CPT}$ la partícula y la antipartícula tienen cargas eléctricas opuestas q y -q.

Teoría cuántica de campos

Esta sección se basa en las ideas, el lenguaje y la notación de la cuantización canónica de una teoría cuántica de campos.

Se puede tratar de cuantificar un campo de electrones sin mezclar los operadores de aniquilación y creación escribiendo $psi (x)=sum _{k}u_{k}(x)a_{k}e^{-iE(k)t},,$

donde usamos el símbolo k para denotar los números cuánticos p y σ del apartado anterior y el signo de la energía, E(k), y a _k denota los operadores de aniquilación correspondientes. Por supuesto, dado que estamos tratando con fermiones, tenemos que hacer que los operadores satisfagan las relaciones canónicas de anticonmutación. Sin embargo, si uno ahora escribe el hamiltoniano $H=sum_{k}E(k)a_{k}^{daga}a_{k},,$

entonces uno ve inmediatamente que el valor esperado de H no necesita ser positivo. Esto se debe a que E(k) puede tener cualquier signo y la combinación de los operadores de creación y aniquilación tiene un valor esperado de 1 o 0.

Así que uno tiene que introducir el campo antipartícula conjugado de carga, con sus propios operadores de creación y aniquilación que satisfacen las relaciones $b_{kprime }=a_{k}^{daga } mathrm {y} b_{kprime }^{daga }=a_{k},,$

donde k tiene el mismo p, y opuesto σ y signo de la energía. Entonces uno puede reescribir el campo en la forma $psi (x)=sum_{k_{+}}u_{k}(x)a_{k}e^{-iE(k)t}+sum_{k_{-}}u_{k} (x)b_{k}^{ daga }e^{-iE(k)t},,$

donde la primera suma es sobre estados de energía positiva y la segunda sobre los de energía negativa. La energía se convierte $H=sum_{k_{+}}E_{k}a_{k}^{daga }a_{k}+sum_{k_{-}}|E(k)|b_{k}^{ daga }b_{k}+E_{0},,$

donde E ₀ es una constante negativa infinita. El estado de vacío se define como el estado sin partículas ni antipartículas, es decir, $a_{k}|0rango =0$ y $b_{k}|0rangle =0$ . Entonces la energía del vacío es exactamente E ₀. Dado que todas las energías se miden en relación con el vacío, H es definida positiva. El análisis de las propiedades de ak _y bk muestra _que uno es el operador de aniquilación para partículas y el otro para antipartículas. Este es el caso de un fermión.

Este enfoque se debe a Vladimir Fock, Wendell Furry y Robert Oppenheimer. Si uno cuantifica un campo escalar real, encuentra que solo hay un tipo de operador de aniquilación; por lo tanto, los campos escalares reales describen bosones neutros. Dado que los campos escalares complejos admiten dos tipos diferentes de operadores de aniquilación, que están relacionados por conjugación, tales campos describen bosones cargados.

Interpretación de Feynman-Stueckelberg

Al considerar la propagación de los modos de energía negativa del campo de electrones hacia atrás en el tiempo, Ernst Stueckelberg alcanzó una comprensión pictórica del hecho de que la partícula y la antipartícula tienen igual masa m y espín J pero cargas opuestas q. Esto le permitió reescribir la teoría de perturbaciones precisamente en forma de diagramas. Richard Feynman luego dio una derivación sistemática independiente de estos diagramas a partir de un formalismo de partículas, y ahora se llaman diagramas de Feynman. Cada línea de un diagrama representa una partícula que se propaga hacia atrás o hacia adelante en el tiempo. En los diagramas de Feynman, las antipartículas se muestran viajando hacia atrás en el tiempo en relación con la materia normal, y viceversa.Esta técnica es el método más extendido para calcular amplitudes en la teoría cuántica de campos en la actualidad.

Dado que esta imagen fue desarrollada por primera vez por Stueckelberg y adquirió su forma moderna en el trabajo de Feynman, se llama la interpretación de Feynman-Stueckelberg de las antipartículas en honor a ambos científicos.

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