Cada partícula en el universo, como los electrones, protones y neutrones, tiene una contraparte, una antipartícula. Las antipartículas tienen la misma masa que sus partículas correspondientes, pero difieren en otras propiedades cuánticas, como la carga eléctrica. Por ejemplo, el electrón, que es una partícula con carga eléctrica negativa, tiene un anti-electrón, también conocido como positrón, que tiene la misma masa pero con carga eléctrica positiva. Estos entes son uno de los conceptos más fascinantes de la física moderna, revelando la profundidad y la simetría en las leyes fundamentales del universo.
Esta relación se extiende a todas las partículas subatómicas, sean fundamentales o tengan estructura en su interior. Los antiprotones son como los protones pero con carga eléctrica negativa, y los antineutrones, aunque son neutros como los neutrones, están compuestos por tres antiquarks, cuyas cargas se compensan de manera inversa.
La existencia de las antipartículas llegó antes a la física teórica que a la experimental. Fueron predichas por primera vez por el físico Paul Dirac, a partir de la ecuación que él ideó para el electrón. En 1928, Dirac buscaba una forma de incorporar la teoría de la relatividad especial a la mecánica cuántica para describir el comportamiento de los electrones, que se movían a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Su trabajo condujo a la formulación de una ecuación que combinaba estas dos grandes teorías, la que hoy llamamos “ecuación de Dirac”, una de las más bellas y profundas de la física. Lo sorprendente de esta ecuación es que permitía soluciones que predecían la existencia de partículas con las mismas propiedades que los electrones (como la masa), pero con carga opuesta.
Esta predicción fue revolucionaria porque hasta ese momento no existía evidencia experimental de tales partículas. En un principio se llegó a pensar que esas soluciones de la nueva ecuación eran simplemente un artefacto matemático, que tal vez no tendrían su realización en el mundo real. Sin embargo, en 1932, Carl David Anderson observó partículas en una cámara de niebla que se comportaban exactamente como las predichas por Dirac, como electrones con carga positiva. Esta partícula fue nombrada "positrón", la antipartícula del electrón. Tanto Dirac como Anderson recibieron sendos premios Nobel de Física por su increíble trabajo en este campo. Desde entonces, muchas otras antipartículas han sido observadas y estudiadas.
La interacción entre partículas y antipartículas es igualmente fascinante. Cuando una partícula y su antipartícula correspondiente se encuentran, se produce un proceso conocido como aniquilación. En la aniquilación, las partículas se destruyen mutuamente, y su masa se convierte en energía que se libera generalmente en forma de fotones de alta energía, como rayos gamma.
Sin embargo, algunas partículas no tienen una antipartícula asociada, o más concretamente son sus propias antipartículas. Un ejemplo clásico es el fotón, la partícula de la luz. El fotón es eléctricamente neutro y no tiene masa, por lo que su antipartícula no tiene propiedades distintas a las suyas y es su propia antipartícula. Esta propiedad se debe a que los fotones son completamente neutros y simétricos en sus propiedades cuánticas. En términos de interacciones, cuando dos fotones se encuentran, no se aniquilan como lo harían un electrón y un positrón. En cambio, pueden interactuar de otras maneras, aunque estas interacciones son generalmente muy débiles en condiciones normales pues ocurren de manera indirecta, utilizando otras partículas intermedias para interaccionar.
Otro ejemplo interesante son los mesones, partículas compuestas hechas de un quark y un antiquark. Son interesantes porque, en algunos casos, un mesón puede ser su propia antipartícula. Un ejemplo es el mesón pi cero (π0). Este mesón está compuesto por una mezcla de un quark y un antiquark del mismo tipo (por ejemplo, un quark up y un antiquark up, o un quark down y un antiquark down). En el caso del mesón pi cero, la combinación de estos quarks y antiquarks es tal que la partícula es neutra y otra vez tiene propiedades simétricas, permitiendo que se considere su propia antipartícula. En la aniquilación de un mesón pi cero, la partícula se convierte en fotones de alta energía.
Los neutrinos son quizás uno de los misterios más intrigantes en la física de partículas. Estas partículas neutras tienen una masa extremadamente pequeña, al menos un millón de veces menor que la de la siguiente partícula más ligera, los electrones, y rara vez interactúan con la materia ordinaria, lo que las hace muy difíciles de detectar. Tradicionalmente se ha considerado que los neutrinos tenían antipartículas diferenciadas, los antineutrinos. Sin embargo, pensamos que los neutrinos podrían ser lo que se conoce como partículas de Majorana, lo que significaría que son sus propias antipartículas. Esta posibilidad tiene profundas implicaciones para nuestra comprensión de la física y del universo, incluyendo el misterio de por qué hay más materia que antimateria en el universo. La investigación en esta área está en curso, y los experimentos actuales están tratando de determinar si los neutrinos son efectivamente partículas de Majorana. De hecho, la física de los neutrinos es uno de los campos donde esperamos encontrar física más allá del Modelo Estándar.
Referencias:
- Griffiths, D.J. (2008). Introduction to Elementary Particles (2nd ed.). John Wiley & Sons. p. 61. ISBN 978-3-527-40601-2.
- Halzen, Francis; Martin, Alan (1984). Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. ISBN 9780471887416.
- Itaru Shimizu, 2023, Search for Majorana neutrinos, https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.05127
