Imagen: En la teoría cuántica, los posibles niveles de energía son discretos, lo que significa que puede contarlos uno por uno. Cada línea negra horizontal representa un nivel de energía. Cuanto más alta sea la línea, mayor será la energía. Los círculos rojos representan los electrones que llenan todos los niveles del mar de Dirac.
Partícula subatómica o radiación
Una partícula subatómica es un componente de materia más pequeño que un átomo (1 ångström o 0.1 nanómetros o 10−10 metro).
Con E=mc2, los físicos se dieron cuenta de que podían crear partículas transformando energía en materia. Así, al acelerar los corpúsculos a una velocidad cercana a la de la luz, pudieron transformar el movimiento en partículas. A partir de entonces, los ladrillos de la realidad se han convertido en resplandores de extraordinaria riqueza, ya no son un número finito de partículas sino energía compuesta por partículas elementales o interacciones.
E=mc2 no incluye el impulso, es decir, la energía cinética. La ecuación que incluye la energía cinética es E2=p2c2+m2c4 donde p es el impulso.
Dado que hemos elevado al cuadrado la energía, en el sentido matemático hay dos soluciones para esta ecuación. Una solución positiva y una solución negativa y ambas tienen el mismo sentido.
Intuitivamente esta energía, E=√p2c2+m2c4 no tiene sentido física que positivamente. La energía negativa no tiene sentido, al igual que la masa negativa o la velocidad negativa.
Sin embargo, Paul Dirac (1902-1984) considerará las 2 soluciones √ y -√ y sobre todo tomarse en serio la solución negativa. Dirac entiende que estos valores existen en el dominio positivo pero también en el dominio negativo de las energías.
En física cuántica, las energías se cuantifican, lo que implica que solo son posibles ciertos valores particulares de la energía.
Los sistemas físicos en general se estabilizan minimizando su energía y encuentran su equilibrio en los estados fundamentales de la materia. Pero si existen estados de energía negativa, el sistema debería estabilizarse en estos estados de energía más baja y, por lo tanto, caer en estados de energía negativa y luego desaparecer del mundo real.
¿Por qué un electrón que está en un estado de energía positiva no cae en un estado de energía negativa?
En 1925, Wolfgang Pauli (1900-1958) propuso un principio según el cual los electrones pertenecientes al mismo sistema no pueden estar simultáneamente en el mismo estado cuántico. Posteriormente, este principio se generalizará a cualquier fermión o partícula de espín medio entero.
En otras palabras, en la mecánica cuántica, 2 partículas no pueden estar en el mismo estado cuántico en el mismo lugar al mismo tiempo (principio de exclusión de Pauli).
En 1931, Dirac considerará que todos los estados de energía negativa están llenos hasta el infinito. Porque si se llenan todos los niveles de energía negativa, entonces es imposible que otros electrones caigan en los niveles de energía negativa, lo que resuelve la paradoja. Entonces, hay partículas en estos niveles de energía que se llaman desde el Mar de Dirac.
Por tanto, la antimateria existe y será medida experimentalmente por Carl Anderson (1905-1991) en 1933 al descubrir el electrón positivo, o positrón, en los rayos cósmicos.
N.B.: en mecánica cuántica, el estado de una partícula caracteriza todo el conocimiento que está disponible si se realizan mediciones en esta partícula. Por tanto, el estado de la partícula contiene toda la información disponible sobre la partícula. A partir de este estado, podemos calcular la probabilidad de encontrar tal o cual momento angular, tal energía, tal velocidad o tal impulso.
En realidad, debe entenderse que el sistema está en un solo estado cuántico, pero que las mediciones pueden dar varios resultados diferentes, cada resultado está asociado con su probabilidad de aparecer durante la medición.
Pero, ¿dónde están estas antipartículas?
Imagen: el positrón o la antipartícula del electrón.
El círculo rojo representa el agujero dejado en el mar infinito de Dirac por el electrón entrando en el mundo real de energías positivas.
Un agujero en el vacío representa la ausencia de un estado de energía negativa y carga negativa cuando un electrón de energía positiva y carga positiva aparece en el mundo real de energías positivas.
Un estado de energía negativa está vacío y un estado de energía positivo está lleno. Un agujero se percibe como un positrón de energía positiva.
Las antipartículas están por todas partes en el vacío que nos rodea y es posible comunicarles cierta cantidad de energía para hacerlas aparecer en el mundo real de las energías positivas. El vacío es un mar infinitamente profundo de niveles de energía ocupados.
Las antipartículas no son las partículas de energía negativa (círculo rojo), son los agujeros (círculo rojo) que quedan en el área de las partículas de energía negativa cuando una partícula de energía negativa aparece en el mundo real.
Dirac entiende que este agujero (antipartícula) tiene una energía que se puede medir experimentalmente. Dado que la energía y la carga eléctrica se conservan, el anti-electrón debe tener una carga medible opuesta a la del electrón. Lo que es notable es que Carl Anderson verificará esta predicción en 1933 mientras investigaba sobre los rayos cósmicos.
Para producir antimateria, se necesita suficiente energía para cruzar la brecha que va de las energías negativas a las energías positivas. De hecho, si golpeamos una antipartícula virtual con suficiente energía igual al doble de la masa del electrón al cuadrado, crearemos una partícula de energía positiva observable en el mundo positivo real.
Una partícula por ejemplo un electrón aparecerá en el mundo positivo dejando un hueco es decir un positrón en el mundo de las energías negativas.
Este positrón tiene la misma masa que el electrón pero una carga eléctrica opuesta proveniente del vacío inducido por el paso del electrón desde el mar de Dirac al mundo de las partículas de energías positivas.
Cuando un electrón se encuentra con un antielectrón, un positrón, se aniquilan en dos fotones de 511 kev.
Con un contador Geiger (instrumento para medir una gran cantidad de radiación ionizante) podemos ver líneas muy débiles de fotones gamma con una energía de (511 keV/c2) que corresponde exactamente a la masa del electrón.
Como la masa de un electrón es 511 kev, se necesitan 1 Mev para pasar de n-1 (mundo de energías negativas) a n1 (mundo de energías positivas).
Un protón tiene una masa de 938,27 MeV/c2, para crear un antiprotón, se necesitarán 2 Gev. En otras palabras, cuanto más masiva es la partícula, más energía se necesita para que aparezca en el mundo real.
Las antipartículas están bien a nuestro alrededor e incluso dentro de nosotros. Nuestro propio cuerpo emite algunas antipartículas (antineutrinos) cuando el potasio 40 de nuestro cuerpo se degrada.
¿Son las antipartículas realmente solo agujeros en el mar de Dirac?
En la teoría de Dirac un agujero no es una partícula, pero la falta de partícula es una antipartícula de carga opuesta, de giro opuesto, de masa idéntica a la partícula real. En la teoría cuántica, las antipartículas son partículas reales en lugar de agujeros. Que es matemáticamente equivalente al mar de Dirac.
En resumen, se puede pensar en el agujero como un nuevo tipo de partícula, llamada antipartícula que tiene energía opuesta a la partícula. Si una partícula es un fermión, debe tener una antipartícula correspondiente. Las antipartículas se pueden crear con nada más que energía. Si una partícula y una antipartícula se encuentran, pueden desaparecer en un estallido de energía, el término técnico es aniquilación.
En 1933, Carl Anderson (1905-1991) descubrió el positrón en los rayos cósmicos. En 1955 el antiprotón fue descubierto por Emilio Segrè (1905-1989). En 1956, Bruce Cork (1916-1994) descubrió el antineutrón. En 1965 se creó un antideuterón (núcleo del antideuterio) en el sincrotrón CERN. En 1995 se creó el primer átomo de antimateria (antihidrógeno) en un laboratorio del CERN. En 2011, se observó el antinúcleo más pesado (anti-helio-4).