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Qué Es La Antimateria? En Verdad Existe? Cómo Se Crea o Se Obtiene?

Qué es antimateria? La definición más simple es la de materia compuesta por antipartículas, pero la gran verdad sobre el tema es que actualmente tenemos conocimiento de la existencia de antimateria porque científicos han logrado obtenido de forma artificial en el laboratorio.

Definición de Antimateria

La antimateria consiste en la materia constituida por antipartículas. Por ejemplo, el antihidrógeno consiste en un antiprotón y un antielectrón (positrón). El antihidrógeno ha sido creado artificialmente en el laboratorio. El espectro del antihidrógeno debe ser idéntico al del hidrógeno.

Parece ser que la materia bariónica (la que no es materia oscura) del universo es mayoritariamente materia ordinaria y la explicación de la ausencia de grandes cantidades de antimateria es una cuestión que ha de ser incorporada dentro de los grandes modelos cosmológicos.

Definición de Antimateria, Ejemplos Para Explicar Su Existencia y Posibles Usos


Un dato que resalta es el hecho de que ningún modelo conocido hasta la fecha aporta una explicación completamente satisfactoria de cuál es la cantidad detectada de antimateria.

Una antipartícula es una partícula subatómica que tiene la misma masa que otra partícula, pero un valor opuesto de otra propiedad o propiedades. Así, por ejemplo, la antipartícula del electrón es el positrón, que tiene la misma masa, que carga de igual magnitud, pero opuesta (positiva). El neutrón y el antineutrón tienen momentos magnéticos opuestos en signo en relación con su espín.

La existencia de antipartículas es una predicción de la mecánica cuántica relativista de Dirac. Estas antipartículas se llaman fermiones de Dirac. Recordemos que cuando una partícula y su antipartícula colisionan, estas se aniquilan entre si liberando energía.

Pueden existir también los fermiones de Majorana, partículas que son su propia antipartícula. No está claro aún si el neutrino es un fermión de Dirac o de Majorana.

Por cada partícula existe una antipartícula correspondiente cuya única diferencia es que tiene la carga opuesta (y otras propiedades o números cuánticos). Así por ejemplo para el electrón hay un antielectrón, idéntico pero de carga positiva; a este que fue de los primeros en descubrirse se le llamó positrón, pero en general se les llama anti-loquesea, e.g. protón - antiprotón etc.

Cuando una partícula y su antipartícula colisionan se pueden aniquilar mutuamente liberando energía en forma de radiación. Es por esta razón que en general no vemos antimateria por ahí, porque si hubiera enseguida se aniquilaría con la materia. En el caso del fotón él es su propia antipartícula (el especialito).

Las unidades de materia más básicas conocidas se denominan partículas fundamentales. Se ha identificado 12 de ellas, las cuales pueden clasificarse en dos grandes familias: los quarks y los leptones. Los protones y los neutrones del núcleo del átomo se componen de quarks y los electrones pertenecen a la familia de los leptones.

Puede Ser La Antimateria el Energético del Futuro?


Dado que una pequeña cantidad de antimateria es capaz de producir grandes cantidades de energía, la propulsión de vehículos impulsados por ella es hipotéticamente posible. La limitación es encontrar o disponer de suficiente antimateria. Existen experimentos que simulan propulsión y almacenamiento, pero están en una fase sumamente temprana de desarrollo.

Ahora te invito a ver un pequeño vídeo para ilustrar mejor esta información. El vídeo es de Javier Santaolalla y fue publicado por el en su canal de YouTube "Date un Voltio", espero te guste.


En resumen:

La antimateria es a todos los efectos lo mismo que la materia excepto por una propiedad: su carga eléctrica. La antimateria se compone de partículas de signo opuesto a las de la materia y se denominan "antipartículas". Así, los protones, con carga positiva, en la antimateria existen los "antiprotones".

Aunque no la encontramos de modo natural, se produce en muchas instalaciones de manera rutinaria, como por ejemplo en los hospitales para realizar un PET.

Contenido curado de Quora.com.

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Kepler-10c (Godzilla de Las Tierras) el Planeta Igualito A La Tierra: Tendrá Vida?

Científicos descubren un planeta que se creía imposible de existir. El mismo es llamado como "Godzilla de Las Tierras". Con este descubrimiento es obvio que nos falta mucho por conocer, que un universo se guarda muchos misterios y cosas raras que nos faltan por conocer.

Planeta Igualito A La Tierra

La publicación que te comparto es de un blog que trata sobre los secretos, enigmas y misterios tanto de la tierra y sus habitantes como del universo. Esta también contiene el dato de algunos planetas muy parecidos a la tierra. A continuación la información tal cual está en su fuente original.

La ciencia siempre nos sorprende con sus descubrimientos, pero en este caso fue el descubrimiento de un planeta extremadamente grande, el llamado Kepler-10c, que también fue bautizado como "El Godzilla de Las Tierras". El descubrimiento fue presentado el lunes en la 224.ª reunión de la Sociedad Astronómica de EE.UU. (American Astronomical Society).

Se trata del planeta llamado Kepler-10c, que orbita una estrella muy parecida al Sol a unos 560 años luz de nosotros, en la constelación del Dragón. Inicialmente los científicos supusieron que el planeta podría ser un astro gaseoso como Júpiter. Sin embargo, al estudiarlo descubrieron que en realidad este gigante consiste de roca, algo que nunca han visto.

Científicos Descubren Planeta Igual A La Tierra


"Es el Godzilla de las Tierras", exclamó Dimitar Sasselov, astrónomo de la Universidad de Harvard. "Pero, a diferencia del monstruo de la película, el Kepler-10c significa algo positivo para la vida".

El tamaño de este mundo rocoso no es lo único raro. Los científicos creen que el sistema Kepler-10 (que lleva este nombre por el telescopio Kepler, que descubrió planetas extrasolares) es muy antiguo: podría tener unos 11.000 millones de años de edad, es decir, podría haberse formado solo 3.000 millones de años después del Big Bang.

Se cree que en un Universo tan joven no había elementos necesarios para la formación de rocas. Sin embargo, Kepler-10c parece desmentir esta teoría. El descubrimiento podría hacer a los científicos dar un vistazo más atento a las estrellas antiguas y no descartar la existencia de vida ahí en algún momento.

Otro planeta igual a este? En la constelación del Cisne y a unos 500 millones de años luz de la Tierra las observaciones del telescopio orbital Kepler y los análisis de los telescopios Keck y Géminis han confirmado la existencia de un planeta que podría ser habitable, según es como el gemelo de la tierra, pero los descubrimientos no cesan y se sabe de muchos plantas fuera de nuestro sistema solar.

NASA Confirma 715 Nuevos Planetas Descubiertos Fuera de Nuestro Sistema Solar


El telescopio espacial Kepler, permitió descubrir 715 nuevos planetas en órbita alrededor de 305 estrellas, en su mayoría similares al sistema de nuestro sistema solar interior. La mayoría son bastante más pequeños que el nuestro y se encuentran en la parte interior del sistema solar, muy cercanos a sus soles.

La NASA presentó así los resultados de la última campaña de recolección de datos del Kepler, junto a la nueva técnica de "verificación por multiplicidad", que permite detectar con mayor facilidad a las estrellas que tienen más de un planeta orbitando en su entorno.

Si bien el número de 715 parece una gran cantidad, en términos de planetas confirmados, la mayoría son bastante más pequeños que el nuestro y se encuentran en la llamada parte interior del sistema solar, muy cercanos a sus soles, con órbitas planas y circulares, según los cálculos realizados. Los nuevos resultados de Kepler, permiten hacer que ascienda a 1.700 el número de exoplanetas conocidos.

Planetas Con Características Similares A La Tierra


Cuatro de los planetas confirmados, pese a ser tres de ellos más pequeños que el nuestro se encuentran en la llamada "zona habitable" de sus estrellas, es decir con una aproximación al sol similar a la nuestra, lo que facilita las posibilidades de que se halla desarrollado alguna forma de vida.

El más interesante en esa línea parece ser el Kepler-296f, un planeta dos veces más grande que el nuestro, que órbita alrededor de una estrella la mitad del tamaño que nuestro sol y que cuya superficie recibe solamente el 5% de la luminosidad tal cual la conocemos. Los astrónomos debaten si la gruesa capa de nubes que flotan sobre el planeta muestran que se trata de hidrógeno y helio, o es un mundo acuático formado por mares.

Es un tema muy interesante este de los planetas, la verdad es que cada día aprendemos que sabemos menos, nos faltan nuevos mundos por descubrir, son muchos los secretos que nos guarda el universo. Espero algún comentario sobre: "Kepler-10c: el nuevo y misterioso planeta en ser descubierto" y los últimos planetas descubiertos por científicos de la NASA.

Ya que sabemos de la existencia de muchos planetas con características similares al nuestro: creés que es posible que alguno de ellos albergue vida? En verdad hay seres vivos o vida inteligente en otros cuerpos planetarios?

Por favor comenta y deja de opinión! También te puede interesar saber lo que pasa cuando algo cae en un hoyo negro, o ver una buena definición de qué son los agujeros negros!

Contenido curado de: Secretos, enigmas y misterios.

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Qué Pasa Cuando Algo Cae En Un Agujero Negro? A Dónde Va La Materia?...

Si te estás preguntando lo que pasa con la materia, la luz o cualquier cosa al caer en un agujero negro te invito a ver el más reciente hallazgo de la ciencia sobre este particular. Los datos son de un informe publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Cuando Algo Cae En Un Agujero Negro

Siempre se ha dicho que un agujero negro se traga todo, incluida la luz. Nadie podía demostrarlo, sin embargo todo ha cambiado luego de que se diera a conocer esta información que hoy te compartimos. Al final esperamos tus comentarios y que de paso vea nuestro otro post donde definimos qué son y cómo se forman los agujeros negros!

Simulador Demuestra La Verdad Sobre Los Agujeros Negros y Lo Que Se Tragan


Astrónomos de las universidades de Texas en Austin y Harvard, han puesto a prueba un principio básico de los agujeros negros. Han demostrado que la materia desaparece por completo cuando cae en ellos. Es decir, no son sólidos.

Sus resultados, publicados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, constituyen otra prueba exitosa para la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein.

La mayoría de los científicos están de acuerdo en que los agujeros negros, entidades cósmicas de tan grande gravedad que nada puede escapar de su atracción, están rodeados por un llamado horizonte de sucesos. Una vez que la materia o la energía se acerca lo suficiente al agujero negro, no puede escapar y será tragada. Incluida la luz. Aunque ampliamente aceptado, la existencia de los horizontes del evento no se había demostrado.

Mientras que una singularidad no tiene área superficial, el objeto no colapsado tendría una superficie dura. Así que el material que se está acercando -una estrella, por ejemplo- no caería realmente en un agujero negro, sino que golpearía esta superficie dura y sería destruido.

"Todo nuestro interés es convertir esta idea de un horizonte de eventos en ciencia experimental, y averiguar si realmente existen o no", dijo Pawan Kumar, profesor de astrofísica en la Universidad de Texas en Austin.

El equipo descubrió lo que un telescopio vería cuando una estrella golpeara la superficie dura de un objeto supermasivo en el centro de una galaxia cercana: El gas de la estrella envolvería el objeto, brillando durante meses, tal vez hasta años.

Una vez que supieron qué buscar, el equipo descubrió la frecuencia con que esto debería ser visto en el universo cercano, si la teoría de la superficie dura es verdadera.

"Estimamos la tasa de estrellas que caen sobre los agujeros negros supermasivos", dijo Lu. "Casi todas las galaxias tienen una sola, solo las más masivas, que pesan alrededor de 100 millones de masas solares o más, y hay un millón de ellas a unos pocos miles de millones de años luz de la Tierra".

Se cree que los agujeros negros supermasivos se encuentran en el corazón de casi todas las galaxias. Pero algunos teóricos sugieren que hay algo más en su lugar, no un agujero negro, sino un objeto supermasivo aún más extraño que de alguna manera ha logrado evitar el colapso gravitacional para formar una singularidad rodeada por un horizonte de eventos. La idea se basa en teorías modificadas de la relatividad general, la teoría de Einstein de la gravedad.

"Nuestro motivo no es tanto establecer que hay una superficie dura", dijo Kumar, “sino empujar el límite del conocimiento y encontrar pruebas concretas de que realmente hay un horizonte de eventos alrededor de los agujeros negros".

Simulación de Agujeros Negros Por Ordenador


Buscaron en un archivo reciente de observaciones de telescopio. Pan-STARRS, un telescopio de 1,8 metros en Hawai, completó recientemente un proyecto para examinar la mitad del cielo del hemisferio norte. El telescopio escaneó el área repetidamente durante un período de 3,5 años, buscando "transitorios" (cosas que brillan por un tiempo y luego se desvanecen). Su meta era encontrar transitorios con la firma ligera esperada de una estrella que cae hacia un objeto supermasivo y que golpea una superficie dura.

"Dada la tasa de estrellas que caen sobre los agujeros negros y la densidad numérica de agujeros negros en el universo cercano, calculamos cuántos transitorios deben haberse detectado durante un período de operación de 3,5 años. Más de 10 de ellos, si la teoría de la superficie dura es verdadera", dijo Lu. No encontraron ninguno.

"Nuestro trabajo implica que algunos, y tal vez todos, los agujeros negros tienen horizontes de eventos y que el material realmente desaparece del universo observable cuando se adentra en estos objetos exóticos, como hemos esperado durante décadas", dijo Narayan. "La Relatividad General ha pasado otra prueba crítica."

Ahora el equipo se propone mejorar la prueba con un telescopio aún más grande: el Telescopio Sinóptico Grande de 8.4 metros (LSST, ahora en construcción en Chile). Al igual que Pan-STARRS, LSST realizará repetidas inspecciones del cielo a lo largo del tiempo, revelando transitorios, pero con mucha mayor sensibilidad.

Contenido curado de El Independiente. Por cierto, mira otras entradas aquí en tu blog "Antipartículas"!

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Agujeros Negros: Qué Son, Vídeo, Teorías, Estudios y Opiniones de Cientificos

Un completo reporte sobre los agujeros negros con todo lo ellos, más un vídeo donde se explica con lujo de detalles qué son (con una buena definición). Lee para ver lo que dice la Nasa, distintas teorías, un poco de historia, el proceso de formación, descubrimientos recientes, etc.

Un Agujero Negro

La imagen anterior es simulada de como se vería un agujero negro con una masa de diez soles, a una distancia de 600 kilómetros, con la vía láctea al fondo (ángulo horizontal de la abertura de la cámara fotográfica: 90°).

Qué Es Un Agujero Negro, Cómo Se Forman, Historia y Teorías Según La Ciencia


Un agujero negro es una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada como para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella.

Sin embargo, los agujeros negros pueden ser capaces de emitir radiación, lo cual fue conjeturado por Stephen Hawking en la década de 1970. La radiación emitida por agujeros negros como Cygnus X-1 no procede del propio agujero negro sino de su disco de acreción.

La gravedad de un agujero negro, o "curvatura del espacio-tiempo", provoca una singularidad envuelta por una superficie cerrada, llamada horizonte de sucesos. Esto es previsto por las ecuaciones del campo de Einstein. El horizonte de sucesos separa la región del agujero negro del resto del universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo los fotones. Dicha curvatura es estudiada por la relatividad general, la que predijo la existencia de los agujeros negros y fue su primer indicio.

En la década de 1970, Hawking, Ellis y Penrose demostraron varios teoremas importantes sobre la ocurrencia y geometría de los agujeros negros. Previamente, en 1963, Roy Kerr había demostrado que en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones todos los agujeros negros debían tener una geometría cuasiesférica determinada por tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica total e y su momento angular.

Se conjetura que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos.

El 11 de febrero de 2016, las colaboraciones LIGO, Interferómetro Virgo y GEO600 anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales, producidas por la fusión de dos agujeros negros a unos 410 millones de pársecs, megapársecs o Mpc, es decir, a unos 1337 millones de años luz, mega-años luz o Mal de la Tierra.

Las observaciones demostraron la existencia de un sistema binario de agujeros negros de masa estelar y la primera observación de una fusión de un agujero negro binario. Anteriormente, la existencia de agujeros negros estaba apoyada en observaciones astronómicas de forma indirecta, a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas.

La gravedad de un agujero negro puede atraer al gas que se encuentra a su alrededor, que se arremolina y calienta a temperaturas de hasta 12 millones de grados Celsius, esto es, 2000 veces mayor temperatura que la superficie del Sol.

Cómo Se Forma Un Agujero Negro: Teoría Científica del Proceso de formación


Los agujeros negros proceden de un proceso de colapso gravitatorio que fue ampliamente estudiado a mediados de siglo XX por diversos científicos, particularmente Robert Oppenheimer, Roger Penrose y Stephen Hawking entre otros. Hawking, en su libro divulgativo Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988), repasa algunos de los hechos bien establecidos sobre la formación de agujeros negros.

Este proceso comienza después de la "muerte" de una gigante roja (estrella de 30 o más veces la masa del Sol), entendiéndose por "muerte" la extinción total de su energía. Tras varios miles de millones de años de vida, la fuerza gravitatoria de dicha estrella comienza a ejercer fuerza sobre sí misma originando una masa concentrada en un pequeño volumen, convirtiéndose en una enana blanca.

En este punto, dicho proceso puede proseguir hasta el colapso de dicho astro por la autoatracción gravitatoria que termina por convertir a esta enana blanca en un agujero negro. Este proceso acaba por reunir una fuerza de atracción tan fuerte que atrapa hasta la luz en este.

En palabras más simples, un agujero negro es el resultado final de la acción de la gravedad extrema llevada hasta el límite posible. La misma gravedad que mantiene a la estrella estable, la empieza a comprimir hasta el punto que los átomos comienzan a aplastarse. Los electrones en órbita se acercan cada vez más al núcleo atómico y acaban fusionándose con los protones, formando más neutrones mediante el proceso.

Por lo que este proceso comportaría la emisión de un número elevado de neutrinos. El resultado final, una estrella de neutrones. En este punto, dependiendo de la masa de la estrella, el plasma de neutrones dispara una reacción en cadena irreversible, la gravedad aumenta enormemente al disminuirse la distancia que había originalmente entre los átomos.

Las partículas de neutrones implosionan, aplastándose más, logrando como resultado un agujero negro, que es una región del espacio-tiempo limitada por el llamado horizonte de sucesos. Los detalles de qué sucede con la materia que cae más allá de este horizonte dentro de un agujero negro no se conocen porque para escalas pequeñas sólo una teoría cuántica de la gravedad podría explicarlos adecuadamente, pero no existe una formulación completamente consistente con dicha teoría.

Historia de Teorías, Observaciones y Demostraciones Que Prueban Su Existencia


El concepto de un cuerpo tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de él, fue descrito en un artículo enviado en 1783 a la Royal Society por un geólogo inglés llamado John Michell. Por aquel entonces la teoría de Newton de la gravitación y el concepto de velocidad de escape eran muy conocidas. Michell calculó que un cuerpo con un radio 500 veces el del Sol y la misma densidad, tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible.

En 1796, el matemático francés Pierre-Simon Laplace explicó en las dos primeras ediciones de su libro Exposition du Systeme du Monde la misma idea aunque, al ganar terreno la idea de que la luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.

En 1915, Einstein desarrolló la relatividad general y demostró que la luz era influida por la interacción gravitatoria. Unos meses después, Karl Schwarzschild encontró una solución a las ecuaciones de Einstein, donde un cuerpo pesado absorbería la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel entonces. El propio Schwarzschild pensó que no era más que una solución matemática, no física.

En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostró que un cuerpo con una masa crítica, (ahora conocida como límite de Chandrasekhar) y que no emitiese radiación, colapsaría por su propia gravedad porque no había nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atracción gravitatoria sería mayor que la proporcionada por el principio de exclusión de Pauli).

Sin embargo, Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzaría un tamaño nulo, lo que implicaría una singularidad desnuda de materia, y que debería haber algo que inevitablemente pusiera freno al colapso, línea adoptada por la mayoría de los científicos.

En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza. Esta teoría no fue objeto de mucha atención hasta los años 60 porque, después de la Segunda Guerra Mundial, se tenía más interés en lo que sucedía a escala atómica.

En 1967, Stephen Hawking y Roger Penrose probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podía impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso.

La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los púlsares. Poco después, en 1969, John Wheeler acuñó el término "agujero negro" durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se llamó "estrella en colapso gravitatorio completo".

Vídeo Explicativo Sobre Los Agujeros Negros


Ahora te comparto este vídeo documental con el objetivo de complementar mejor esta publicación y lograr así brindarte una mejor definición y conceptualización sobre este tema de los agujeros negros:


No dejes de ver otras entradas del blog. La última es sobre las antipartículas y también tenemos el vídeo que consiste en una conferencia de divulgación científica sobre las misteriosas propiedades de los neutrinos.

Contenido curado de Wikipedia.

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Antipartículas: Qué Son, Cómo Funcionan y Sus Propiedades Según La Ciencia

Te invito a descubrir con nosotros qué son, como funcionan y cuáles son las propiedades de las antipartículas, lo más relevante que dice la ciencia, el proceso de aniquilación con una partícula, uno que otro experimento, teoría y un poco de historia entre otros datos importantes.

Antipartículas Según La Ciencia

Como esto de la ciencia, y más la cuántica y física nuclear es tan complejo de entender nos referimos a varias fuentes con tal de brindar la mejor información posible. Al final de la publicación invito a dejar un comentario u opinión sobre el tema. Si eres un estudiante o científico experto en la materia, pues mucho mejor!

Qué es una antipartícula según la física nuclear?

Una antipartícula es lo siguiente: fís. nucl. Partícula elemental de propiedades opuestas a las que caracterizan los átomos de los elementos químicos. A toda partícula elemental se le puede asociar otra: su antipartícula. Tienen la misma masa, pero los números cuánticos, que sirven para caracterizar a las partículas, son opuestos.

Cuando se produce una interacción partícula-antipartícula ambas masas se aniquilan, desprendiéndose una energía equivalente en forma de ondas electromagnéticas (fotones). La reacción a la inversa (energía electromagnética dando un par partícula-antipartícula) también es posible.

Definición obtenida de The Free Dictionary.

A la mayor parte de las partículas de la naturaleza le corresponde una antipartícula que posee la misma masa, el mismo espín, pero distinta carga eléctrica. Algunas partículas son idénticas a su antipartícula, como por ejemplo el fotón, que no tiene carga. Pero no todas las partículas de carga neutra son idénticas a su antipartícula.

Siempre hemos tenido la impresión de que las leyes de la naturaleza parecían haber sido diseñadas para que todo fuese simétrico entre partículas y antipartículas hasta que los experimentos de la llamada violación CP (violación carga-paridad) encontraron que la simetría temporal se violaba en ciertos sucesos de la naturaleza. El exceso observado de bariones con respecto a los anti-bariones, en el universo, es uno de los principales problemas sin respuesta de la cosmología.

Los pares partícula-antipartícula pueden aniquilarse entre ellos si se encuentran en el estado cuántico apropiado. Estos estados pueden producirse en varios procesos. Estos procesos se usan en los aceleradores de partículas para crear nuevas partículas y probar las teorías de la física de partículas.

Los procesos de altas energías en la naturaleza pueden crear antipartículas, y éstos son visibles debido a los rayos cósmicos y en ciertas reacciones nucleares. La palabra antimateria se refiere a las antipartículas elementales, los compuestos de antipartículas hechos con estas (como el antihidrógeno) y formaciones mayores que pueden hacerse con ellos.

Antipartículas o Antimaterias: Historia, Resultados de Experimentos y Teorías


En 1932, poco después de la predicción del positrón por Dirac, Carl D. Anderson encontró que las colisiones de los rayos cósmicos producían estas partículas dentro de una cámara de niebla, un detector de partículas donde los electrones o los positrones que se mueven a través de él dejan detrás de ellos trayectorias, marcando su movimiento por el gas.

La relación entre la carga eléctrica y la masa de una partícula puede medirse observando las curvas que marcan en su camino por la cámara de niebla dentro de un campo magnético. Originalmente los positrones, debido a que sus trayectorias también se curvaban, fueron confundidos con electrones que viajaban en la dirección opuesta.

El antiprotón y el antineutrón fueron encontrados por Emilio Segrè y Owen Chamberlain en 1955, en la universidad de California. Desde entonces se han creado las antipartículas de muchas otras partículas subatómicas en los experimentos con aceleradores de partículas. En años recientes, se ha conseguido generar átomos completos de antimateria compuestos por antiprotones y positrones, recolectados en trampas electromagnéticas.

La teoría de Giovanni

El desarrollo de la teoría cuántica de campos hizo innecesaria la interpretación de las antipartículas como huecos, incluso aunque desafortunadamente aún persiste en muchos libros de texto.

Las soluciones de la ecuación de Dirac contenían estados cuánticos de energía negativa. Como resultado un electrón siempre podría radiar energía cayendo en un estado de energía negativa. Incluso peor que eso, podría estar radiando una cantidad infinita de energía porque habría disponibles infinitos estados de energía negativa.

Para resolver esta situación que iba contra la física, Dirac postuló que un "mar" de electrones de energía negativa llenaban el universo, ya ocupando todos los estados de energía negativa de forma que, debido al principio de exclusión de Pauli ningún otro electrón podría caer en ellos.

Sin embargo, a veces, una de estas partículas con energía negativa podría ser elevada desde este mar de Dirac a un nivel de energía mayor para convertirse en una partícula de energía positiva. Pero, cuando era elevada, esta partícula dejaba un hueco detrás en el mar, que actuaría exactamente como un electrón de energía positiva pero con carga contraria. Dirac interpretó estos electrones inversos como protones, y llamó por eso a su artículo de 1930 Una teoría de electrones y protones.

Dirac ya era consciente del problema de que esta representación implicaba una carga negativa infinita para el universo, e intentó argumentar que nosotros percibiríamos este estado como el estado normal de carga cero. Otra dificultad que esta teoría encontraba era la diferencia entre las masas del electrón y el protón. Aquí Dirac intentó solucionarlo argumentando que esto se debía a las interacciones electromagnéticas con ese "mar", hasta que Hermann Weyl probó que la teoría de huecos era completamente simétrica entre las cargas negativas y positivas.

Dirac también predijo una reacción e- + p+ → γ + γ (en la que el electrón y el protón se aniquilaban para dar dos fotones). Robert Oppenheimer e Igor Tamm probaron que esto causaría que la materia ordinaria desapareciera demasiado deprisa. Un año más tarde, en 1931, Dirac modificó su teoría y postuló el positrón, una partícula nueva de la misma masa que el electrón. El descubrimiento de esa partícula el año siguiente eliminó las dos últimas objeciones a su teoría.

Sin embargo permanecía el problema de la carga infinita del universo. También, como ahora sabemos, los bosones (partículas con spin entero) también poseen antipartículas, pero éstos no obedecen el principio de exclusión de Pauli, así que la teoría de los huecos no funciona con ellos. La teoría cuántica de campos proporciona una interpretación unificada de las antipartículas, que resuelve ambos problemas.

Proceso de Aniquilación Entre Una Partícula y Su Antipartícula


Si una partícula y su antipartícula se encuentran en los estados cuánticos apropiados, entonces pueden aniquilarse la una a la otra y producir otras partículas. Las reacciones como:

         e+  +  e-  →  γ  +  γ

(aniquilación de un par electrón-positrón en dos fotones) son un ejemplo del proceso.

La aniquilación de un par electrón-positrón en un solo fotón: e+  +  e-  →  γ no puede ocurrir porque es imposible que se conserven la energía y el momento a la vez en este proceso. La reacción inversa es también imposible por esta razón. Sin embargo, este fenómeno se observa en la naturaleza; se puede crear un par electrón-positrón a partir de un solo fotón con una energía de al menos la masa de ambas partículas: 1.022 MeV.

Lo cierto, es que según la teoría cuántica de campos este proceso está permitido como un estado cuántico intermedio para tiempos suficientemente cortos en los que la violación de la conservación de la energía puede acomodarse al principio de incertidumbre de Heisenberg. Esto abre la vía para la producción de pares virtuales o su aniquilación donde el estado cuántico de una sola partícula puede fluctuar en un estado cuántico de dos partículas y volver a su estado inicial.

Estos procesos son importantes en el estado vacío y la renormalización de una teoría cuántica de campos. También abre el camino para una mezcla de partículas neutras a través de procesos como el mostrado aquí, que es un ejemplo complicado de la renormalización de la masa.

Propiedades de las antipartículas

Los estados cuánticos de una partícula y de su antipartícula pueden intercambiarse aplicando la simetría de carga (C), paridad (P), y la simetría temporal (T). Si |p,σ,n> es el estado cuántico de una partícula (n), con momento p, espín J cuyo componente en la dirección z es σ, entonces tendremos:

         CPT |p,σ,n>  =  (-1)J-σ |p,-σ,nc>

Donde nc es el estado de carga conjugado, es decir, la antipartícula. Este comportamiento bajo CPT es el mismo que establece que una partícula y su antipartícula están en la misma representación irreducible del grupo de Poincaré. Las propiedades de las antipartículas pueden relacionarse así con las de las partículas. Si T es una buena simetría de la dinámica, entonces:

         T |p,σ,n>  α  |-p,-σ,n>
         CP |p,σ,n>  α  |-p,σ,nc>
         C |p,σ,n>  α  |p,σ,nc>

Donde el signo de proporcionalidad indica que podría existir un término de fase en el lado derecho de la ecuación. En otras palabras, la partícula y su antipartícula deben tener:

     - La misma masa m.
     - El mismo estado de espín J.
     - Cargas eléctricas opuestas q y -q.

Teoría Cuántica de Campos

Esta sección utiliza las ideas, el lenguaje y la notación usada en la cuantización canónica de la teoría cuántica de campos.

Se puede intentar cuantizar el campo de un electrón sin mezclar los operadores de creación y aniquilación escribiendo:

        ψ(x)  =  ∑k uk(x) ak e-i E(k)t

Donde se está usando el símbolo k para denotar los números cuánticos p y σ de las secciones anteriores, el signo de la energía E(k) y ak denota los operadores correspondientes de aniquilación. Por supuesto, como estamos tratando con fermiones, los operadores deberán satisfacer las relaciones canónicas anticonmutativas. Sin embargo, si escribimos el Hamiltoniano:

        H  =  ∑k E(k) a+k ak

Vemos inmediatamente que el valor esperado de H no necesita ser positivo. Esto ocurre porque E(k) puede tener cualquier signo posible, y la combinación de operadores de creación y de aniquilación tiene valor esperado 1 ó 0.

Así pues se debe introducir el campo antipartícula de carga conjugada con sus propios operadores de creación y de aniquilación que satisfagan las siguientes relaciones:

        bk'  =  a+k y b+k'  =  ak

Donde k' tiene el mismo p, σ y signo de la energía opuestos. Así podemos reescribir el campo en la forma:

        ψ(x)  =  ∑k(+) uk(x) ak e-i E(k)t  +  ∑k(-) uk(x) b+k e-i E(k)t

Donde el primer sumatorio se realiza sobre los estados positivos de energía y el segundo sobre los de energía negativa. La energía entonces se transforma en:

        H  =  ∑k(+) E(k) a+k ak  +  ∑k(-) |E(k)| b+k bk  +  E0

Donde E0 es una constante infinita negativa. El estado vacío se define como el estado que no contiene ninguna partícula ni antipartícula, es decir, ak |0> = 0 y bk |0> = 0. De esta forma la energía del vacío será exactamente E0. Como todas las energías se miden con respecto al vacío, H será definitivamente positiva. Un análisis de las propiedades de ak y de bk muestra que uno es el operador de aniquilación para las partículas y el otro para las antipartículas. Este es el caso de un fermión.

Esta aproximación se la debemos a Vladimir Fock, Wendell Furry y Robert Oppenheimer. Si se cuantiza un campo escalar real, entonces se encuentra que solo hay una clase de operador de aniquilación, así pues los campos escalares describen a los bosones neutros. Como los campos escalares complejos admiten dos clases diferentes de operadores de aniquilación, que están relacionados por conjugación, esos campos describen bosones cargados.

La interpretación de Feynman y Stueckelberg

Considerando la propagación hacia atrás en el tiempo de la mitad del campo del electrón que tiene energías positivas, Richard Feynman mostró que se violaba la causalidad a menos que se permitiera que algunas partículas viajaran más rápidas que la luz. Pero si las partículas pudieran viajar más rápido que la luz entonces, desde el punto de vista de otro observador inercial parecería como si estuviera viajando atrás en el tiempo y con carga opuesta.

De esta forma Feynman llegó a entender de forma gráfica el hecho de que la partícula y su antipartícula tuvieran la misma masa m y spin J pero cargas opuestas. Esto le permitió reescribir la teoría de perturbaciones de forma precisa en forma de diagramas, llamados diagramas de Feynman, con partículas viajando adelante y atrás en el tiempo. Esta técnica es ahora la más extendida para calcular amplitudes en la teoría cuántica de campos.

Este gráfico fue desarrollado de forma independiente por Ernest Stueckelberg, y por eso se ha dado en llamar la interpretación de Feynman y Stueckelberg de las antipartículas.

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