Antimateria: Los Enigmas de las Antipartículas y su Energía

La antimateria

La antimateria fue predicha por Paul Dirac (1902-1984) en 1928 a partir de la ecuación relativista del electrón. Cada partícula tiene una antipartícula de la misma masa pero con carga opuesta. El encuentro de una partícula con su antipartícula resulta en una aniquilación total y la conversión de la masa en energía según \( E = mc^2 \).

La energía de las antipartículas y el mar de Dirac

Cada antipartícula tiene la misma masa que su partícula correspondiente, pero puede tomar valores de energía negativos dentro del marco de la teoría de Dirac. Según esta teoría, el espacio de los estados cuánticos está lleno de niveles de energía negativa, formando lo que se denomina el mar de Dirac.

Un estado vacante en este mar de Dirac se comporta como una antipartícula de carga opuesta. Cuando este estado está ocupado o aniquilado, la energía negativa se libera en forma de radiación o se convierte en energía cinética, permitiendo la observación de la creación o aniquilación de partículas y antipartículas.

Así, la energía de las antipartículas puede interpretarse en dos niveles:

• Como energía positiva durante la creación de una partícula real observable en el laboratorio.
• Como energía negativa dentro del marco teórico de los estados llenos del mar de Dirac, que explica la existencia de las antipartículas y su simetría con la materia.

Esta dualidad energética es la base de muchos fenómenos físicos: la aniquilación materia-antimateria, la producción de antihidrógeno en el laboratorio y las transiciones energéticas cuánticas que pueden liberar fotones γ observables.

¿Tienen las antipartículas masa negativa?

Las antipartículas no tienen masa negativa. En el formalismo de Dirac, pueden verse como soluciones de energía negativa, pero su masa en reposo es positiva e idéntica a la de su partícula correspondiente.

Lo que dice la teoría de Dirac

Cuando Paul Dirac (1902-1984) resolvió su ecuación relativista para el electrón, encontró dos familias de soluciones:

• niveles de energía positiva \(E>0\),
• niveles de energía negativa \(E<0\).

Para evitar que el electrón "caiga" en estados de energía cada vez más bajos, Dirac propuso que todos estos niveles negativos ya estuvieran llenos: es el mar de Dirac. Un "hueco" en este mar se comporta como una partícula con carga opuesta: el positrón.

En esta interpretación, hablamos de energía negativa, pero la masa en reposo \(m\) sigue siendo positiva (por ejemplo, \(m_e = 0,511~\mathrm{MeV}/c^2\)).

Masa en reposo vs. energía

La masa en reposo de una partícula es el coeficiente antes de \(c^2\) en \( E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4 \). El signo de \(E\) (energía total) puede cambiar, pero el término \(m^2\) siempre sigue siendo positivo en el formalismo estándar. Incluso para las antipartículas, conservamos \(m > 0\). Lo que cambia son las cargas y los números cuánticos (bariónico, leptónico, etc.).

Masa negativa: un concepto diferente

Una masa negativa significaría que un objeto acelera en dirección opuesta a la fuerza aplicada (comportamiento exótico). Nada en las observaciones de las antipartículas (positrones, antiprotones, etc.) muestra tal efecto: caen en campos gravitacionales como sus homólogos ordinarios (dentro de los límites experimentales).

Tabla de niveles de energía positivos y negativos de partículas y antipartículas

Fuentes: CERN – Antimateria, Particle Data Group, Wikipedia – Mar de Dirac.