Cuanto más pequeño estudiamos, más conocimiento fundamental sobre la naturaleza se nos revela. Si pudiéramos comprender y describir los objetos existentes más pequeños, podríamos construir sobre esta base una comprensión de los grandes. Sin embargo, no sabemos si existe un límite para minimizar el espacio.
Hay reglas en nuestro Universo que nunca hemos observado romper. Esperamos que algunos de ellos nunca hayan sido violados. Nada puede viajar más rápido que la luz. Cuando dos cuantos interactúan, la energía siempre se conserva. No se puede crear ni destruir el momento ni el momento angular. Etc. Pero algunas de estas reglas, aunque no las vimos, deben haberse roto en algún momento del pasado.
Uno de ellos es la simetría de materia y antimateria. Cada interacción en la que nacen o destruyen partículas de materia, destruye o genera un número igual de sus contrapartes del mundo de la antimateria - antipartículas. Teniendo en cuenta que nuestro universo está hecho casi en su totalidad de materia y casi no contiene antimateria (no hay estrellas, galaxias o estructuras cósmicas estables hechas de antimateria), esta simetría obviamente se ha roto en el pasado. Sin embargo, sigue siendo un misterio cómo sucedió exactamente esto. El misterio de la asimetría materia / antimateria sigue siendo una de las mayores cuestiones abiertas en física.
Además, solemos decir "partículas", que significa las partes constituyentes de la materia, y "antipartícula", que implica las partes constituyentes de la antimateria, pero esto no es del todo cierto. Las partículas no siempre son materia y las antipartículas no siempre son antimateria. Esto es lo que la ciencia tiene que decir sobre esta situación contradictoria.
Desde escalas macroscópicas hasta subatómicas, el tamaño de las partículas fundamentales juega un papel pequeño en la determinación del tamaño de las estructuras compuestas. Todavía no se sabe si estos bloques de construcción son partículas verdaderamente fundamentales y puntuales, pero entendemos cómo funciona el universo desde escalas grandes y cósmicas hasta pequeñas escalas subatómicas. El cuerpo humano contiene alrededor de 10 28 átomos.
Al imaginar los materiales que se pueden encontrar en la Tierra, probablemente asumirá que el 100% de ellos consiste en materia. Así es aproximadamente como es: casi todo nuestro planeta está hecho de materia. También consta de protones, neutrones y electrones, y todos estos son partículas de materia. Los protones y los neutrones son partículas compuestas formadas por quarks up y down que se unen con gluones y forman los núcleos de los átomos. Los electrones están unidos a estos núcleos, de modo que la carga eléctrica total del átomo es cero y los electrones están conectados a los núcleos por interacción electromagnética transmitida a través del intercambio de fotones.
Sin embargo, periódicamente una de las partículas del núcleo atómico sufre desintegración radiactiva. Un ejemplo típico es la desintegración beta.... Uno de los neutrones se convierte en un protón, emitiendo un electrón y un electrón antineutrino. Al estudiar las propiedades de las diversas partículas y antipartículas involucradas en esta desintegración, puede aprender mucho sobre el universo.
Representación esquemática de la desintegración beta nuclear en un núcleo atómico masivo. La desintegración beta funciona a través de interacciones débiles, convirtiendo un neutrón en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico. Antes del descubrimiento de los neutrinos, parecía que la energía y el impulso no se conservaban en las desintegraciones beta.
El neutrón con el que comenzamos tiene las siguientes propiedades:
- Es eléctricamente neutro, su carga total es cero.
- Consta de tres quarks: dos inferiores (con cargas eléctricas de -1/3) y uno superior (con carga eléctrica de 2/3).
- Contiene aproximadamente 939 MeV de energía en forma de masa en reposo.
Las partículas en las que se desintegra (un protón, un electrón y un antineutrino electrónico) también tienen sus propias propiedades únicas.
- La carga eléctrica de un protón es +1, consta de uno abajo y dos quarks arriba, y contiene aproximadamente 938 MeV de energía en su masa en reposo.
- La carga eléctrica de un electrón es -1, es una partícula fundamentalmente invisible y almacena alrededor de 0,5 MeV de energía en su masa en reposo.
- Un antineutrino electrónico no tiene carga eléctrica, es una partícula fundamentalmente invisible, su masa en reposo es desconocida (pero mayor que cero) y no se almacena más de 0.0000001 MeV de energía en él.
Todas las leyes de conservación vinculantes siguen vigentes. La energía se conserva y una pequeña cantidad de energía neutrónica "extra" se convierte en energía cinética de las partículas resultantes. El momento se conserva y la suma de los momentos de las partículas resultantes siempre es igual al momento inicial del neutrón. Sin embargo, no solo queremos estudiar dónde comenzamos y dónde terminamos, queremos saber cómo sucedió.
Los neutrones libres son inestables. Tienen una vida media de 10,3 minutos y se descomponen en protones, electrones y antineutrinos electrónicos. Si cambia un neutrón a un antineutrón, todas las partículas cambiarán a las antipartículas correspondientes. La materia será reemplazada por antimateria y la antimateria por materia.
Según la teoría cuántica, la desintegración requiere una partícula que la controle. En la teoría cuántica de las interacciones débiles, que describe este proceso, esto se hace por el W - Higgs , que desempeña el papel de uno de los quarks inferiores del neutrón. Veamos qué pasa con las partículas fundamentales.
Uno de los quarks abajo en un neutrón emite un W virtuales - Higgs, que se convierte en un quark arriba. En esta interacción se conserva el número de quarks.
Virtual W -un bosón puede descomponerse en muchas partículas diferentes, pero este proceso está limitado por la ley de conservación de la energía. Sus productos finales de desintegración no deberían tener más energía que la diferencia de masa en reposo entre un neutrón y un protón.
Por lo tanto, en su mayor parte, un electrón nace en descomposición (para llevarse una carga negativa) y un electrón antineutrino. En casos raros, puede ver una desintegración radiativa, lo que resulta en un fotón adicional. En principio, es posible hacer que el W - decaimiento de Higgs en una combinación de quarks y antiquarks (por ejemplo, desde el abajo y anti-up), pero esto requiere demasiada energía - más que la obtenida por desintegración de un neutrón para un protón.
En condiciones normales de bajas energías, un neutrón libre se desintegra en un protón a través de una interacción débil; en este caso, el tiempo aumenta hacia arriba en el diagrama. A energías suficientemente altas, esta reacción puede ir en la dirección opuesta. Un protón y un positrón o neutrino pueden interactuar para producir un neutrón; es decir, cuando un protón interactúa con un protón, puede aparecer un deuterón. Así es como funciona el primer paso crítico de síntesis en el Sol.
Ahora volteemos todo reflejado, pasando de la materia a la antimateria. En lugar de la desintegración de un neutrón, imaginemos la desintegración de un antineutrón. Las propiedades del antineutrón son muy similares a las propiedades del neutrón mencionadas anteriormente, pero también existen diferencias importantes:
- Es eléctricamente neutro, su carga total es cero.
- – ( +1/3) ( -2/3).
- 939 .
Pasando de la materia a la antimateria, simplemente reemplazamos todas las partículas con sus contrapartes de antimateria. Las masas permanecieron iguales, la composición (teniendo en cuenta el prefijo "anti") permaneció igual, y la carga eléctrica cambió a lo contrario. Y aunque el neutrón y el antineutrón son eléctricamente neutros, la carga de sus componentes ha cambiado.
¡Y esto, por cierto, se puede medir! Aunque la carga es neutra, el electrón tiene un llamado. momento magnético , para el cual se necesitan tanto el giro como la carga eléctrica. Pudimos medir su momento magnético: es igual a -1,91 magneton de Bohr . El momento magnético del antineutrón es +1,91 magneton de Bohr. Todo su relleno cargado debe ser lo opuesto a la materia y la antimateria.
Gracias a experimentos y nuevos estudios teóricos, comenzamos a comprender mejor la estructura interna de nucleones, protones y neutrones, incluyendo cómo se distribuye el "mar" de quarks y gluones. Los estudios nos permiten explicar la mayor parte de la masa de bariones, así como sus momentos magnéticos no triviales.
Al decaer, un quark anti-inferior emite un bosón W + , un gemelo de W , un bosón de antimateria, que convierte al quark anti-inferior en uno anti-superior. Bosón W +como antes, virtual: no se puede observar y no hay suficiente masa / energía para crear un bosón "real". Sin embargo, sus productos de desintegración son visibles: un positrón y un neutrino electrónico. (Sí, también pueden aparecer efectos de radiación; en casos raros, se agregan uno o más fotones a los productos de desintegración). Todo resulta ser una imagen especular de la versión anterior, cada partícula de materia cambia a un doble de antimateria y partículas de antimateria (como los antineutrinos electrónicos), viceversa.
En cuanto a los materiales que se pueden encontrar en la Tierra, casi todos están hechos de materia: protones, neutrones y electrones. Una pequeña parte de estos neutrones se desintegra, lo que significa que también tenemos W -bosones, protones y electrones adicionales (y fotones) y algunos antineutrinos electrónicos. Todo lo que sabemos está bien descrito por el Modelo Estándar, y hay suficientes partículas y antipartículas para describirlo todo. [se puede hacer clic] El modelo estándar nos ayuda a determinar qué partículas existen en realidad y qué antipartículas para cada una de ellas. Y aunque el Universo consiste principalmente en materia, y solo tiene trazas de inclusiones de antimateria, no todas las partículas de él solo pueden atribuirse a materia o antimateria.
Podríamos reemplazar la Tierra con "anti-Tierra", una versión anti-material de nosotros mismos. Entonces simplemente reemplazaríamos cada partícula con su correspondiente antipartícula. En lugar de protones y neutrones (que consisten en quarks y gluones), tendríamos antiprotones y antineutrones (que consisten en antiquarks, pero con los mismos 8 gluones). En lugar de la desintegración de neutrones a través del bosón W - , habría una desintegración del antineutrón a través del bosón W + . En lugar de obtener un electrón y un antineutrino electrónico (y a veces un fotón), obtendríamos un positrón y un neutrino electrónico (ya veces un fotón).
La materia normal del Universo se compone de quarks y leptones. Los quarks forman protones y neutrones (y bariones en general), y los leptones incluyen electrones y sus parientes más pesados, así como tres neutrinos ordinarios. En el reverso, hay antipartículas que componen la antimateria: antiquarks y antileptones. Aunque las desintegraciones ordinarias siguen diferentes caminos que involucran a los bosones W - y W + , existe una pequeña cantidad de antimateria en forma de positrones y antineutrinos electrónicos. Este sería el caso incluso si de alguna manera pudiéramos "deshacernos" de todo el universo externo, incluido el Sol, los rayos cósmicos y otras fuentes de partículas y energía.
Partículas y antipartículas del Modelo Estándar, cuya existencia está predicha por las leyes de la física. Los quarks y leptones son fermiones y materia. Antiquarks y antileptons son antifermions y antimateria. Sin embargo, los bosones no son materia ni antimateria.
Pero, ¿qué pasa con el resto de partículas y antipartículas? Cuando hablamos de materia y antimateria, estamos hablando solo de fermiones: quarks y leptones. Sin embargo, también hay bosones:
- 1 fotón, intermediario en radiación electromagnética.
- 8 gluones, mediadores de la fuerza nuclear fuerte.
- 3 bosones débiles, W + , W - y Z 0 , mediadores en interacciones débiles y desintegraciones débiles, así como el bosón de Higgs, que es diferente a todos los demás.
Algunas de las partículas son antipartículas en sí mismas: el fotón, el Z 0 y el bosón de Higgs. W + es una antipartícula para W - , y tres pares de gluones son claramente antipartículas entre sí (con el cuarto par, todo es un poco más complicado).
Si choca una partícula con su antipartícula, se aniquilan y pueden dar todo lo que sea suficiente energía, teniendo en cuenta todas las leyes de conservación cuántica: energía, momento, momento angular, carga eléctrica, número de bariones, número de leptones, número de familia de leptones. , etc., etc. Lo mismo ocurre con las partículas que son antipartículas en sí mismas.
Una colección equosimétrica de bosones de materia y antimateria (X e Y, y anti-X con anti-Y) con las propiedades GUT correctas podría dar lugar a la asimetría de materia y antimateria que vemos hoy en el Universo.
Es de notar aquí cómo aparece la idea de oposición de "materia" y "antimateria". Si tienes un número de bariones o leptones positivo, eres materia. Si es negativo, eres antimateria. Y si no tienes un número bariónico o leptónico, ¡no eres materia ni antimateria! Aunque hay dos tipos de partículas, fermiones (quarks y leptones) y bosones (todo lo demás), en nuestro universo solo los fermiones pueden ser materia o antimateria.
Si los neutrinos resultan ser fermiones de Majorana, la teoría tendrá que revisarse; después de todo, los fermiones de Majorana pueden ser antipartículas por sí mismos.
Esto significa que las partículas compuestas, como piones u otros mesones, que consisten en combinaciones de quarks y antiquarks, no pertenecen a la materia ni a la antimateria, sino que consisten en ambas. Positronio : un electrón y un positrón unidos, tampoco se aplica a la materia ni a la antimateria. Si hay leptoquarks o bosones X o Y superpesados de las teorías de la gran unificación, entonces serán un ejemplo de partículas con números de bariones y leptones; para ellos, habrá opciones tanto de materia como de antimateria. Si la teoría de la supersimetría fuera correcta, tendríamos contrapartes fermiónicas de fotones, fotinos , que no son ni materia ni antimateria. Incluso podríamos tener bosones supersimétricos, escuadrones , y luego sus versiones de partículas y antipartículas se dividirían en materia y antimateria. Partículas del modelo estándar y sus contrapartes supersimétricas. Se encontraron poco menos de la mitad de ellos, y nadie ha visto aún evidencia de la existencia del resto. La supersimetría debería mejorar el modelo estándar, pero aún tiene que hacer predicciones exitosas.
Sería muy sencillo considerar que en el Universo hay materia, formada por partículas, y antimateria, formada por sus contrapartes-antipartículas. Esto es parcialmente cierto: la mayoría de las partículas del universo están formadas por lo que consideramos materia. Si los reemplazamos todos con antimateria, obtenemos lo que consideramos antimateria. Este es el caso de todos los quarks (con un número bariónico +1/3), leptones (con un número leptónico +1), antiquarks (con un número bariónico -1/3) y antileptones (con un número leptónico -1). .
Pero todo lo demás: todos los bosones que no tienen números de bariones y leptones, todas las partículas compuestas, cuyo número total de bariones y leptones es igual a cero, están en la región intermedia, no pertenecen a la materia ni a la antimateria. En este caso, uno de sus tipos no se puede atribuir a una partícula y el otro a una antipartícula. Sí, W +y W - pueden aniquilarse, como una partícula / antipartícula, pero no pueden dividirse en materia y antimateria, como todos los demás bosones. Ellos, por así decirlo, no pueden reclamar tal estatus. No tiene sentido preguntar cuál de ellos es materia y cuál es antimateria. El uno para el otro, son partícula y antipartícula, pero ninguno de ellos tiene las propiedades características de la materia o antimateria.