El nombre de antimateria no es completamente fortuito. Este otro tipo de materia es como el habitual, el que nos rodea, pero con ciertas propiedades cuánticas opuestas. Tanto es así, que cuando una partícula y su antipartícula se encuentran en el tiempo y en el espacio pueden protagonizar el proceso más eficientes energéticamente que conocemos: la aniquilación. En este proceso de aniquilación, este par partícula-antipartícula transforman toda la energía debida a su masa y a su movimiento, en fotones. Es la muestra más pura y perfecta de la equivalencia entre masa y energía descrita por la famosa fórmula de Albert Einstein. Este proceso es de hecho una de las mejores pruebas de que esa fórmula es correcta, pues predice exactamente lo que hemos observado en millones y billones de colisiones de partículas desde entonces.
El viaje hacia el entendimiento de la aniquilación materia-antimateria comenzó en las primeras décadas del siglo XX, en un período donde la física cuántica y la teoría de la relatividad estaban redefiniendo nuestra comprensión del universo. Fue el físico británico Paul Dirac quien, en su intento por unir las ideas de la mecánica cuántica con la relatividad especial, predijo la existencia de antimateria. Dirac sugirió que, para cada partícula de materia, debería existir una contraparte —una antipartícula— con igual masa pero carga opuesta. Esta predicción revolucionaria fue confirmada experimentalmente con el descubrimiento del positrón, el equivalente en antimateria del electrón, en 1932.
Sin embargo, lo que la física nos dice sobre la aniquilación de materia y antimateria difiere significativamente de su representación en la cultura popular. En la ficción, a menudo se retrata como una fuente inagotable de energía o como un arma catastrófica. En realidad, aunque la aniquilación de pares materia-antimateria libera una cantidad impresionante de energía, el proceso es mucho más sutil y complejo. La energía liberada en la aniquilación proviene de la conversión de la masa de las partículas en fotones de alta energía. Este fenómeno, aunque energéticamente potente, presenta desafíos significativos en términos de su aplicación práctica.
La representación errónea de la aniquilación materia-antimateria en la ficción podría atribuirse a la fascinación por su potencial destructivo y la idea de una energía "limpia" y poderosa. Sin embargo, en la realidad científica, el proceso es mucho más que una simple herramienta de destrucción o una panacea energética. Representa un aspecto fundamental de nuestra comprensión del universo y un testamento a la elegancia de las leyes físicas. Esta aniquilación no es solo un concepto abstracto; es una manifestación real de cómo opera nuestro universo a nivel fundamental. En esencia, cuando una partícula de materia se encuentra con su antipartícula correspondiente, ambas interaccionan en un proceso que, como cualquier otro en física de partículas, debe respetar las leyes de conservación de la carga eléctrica, de los números leptónico y bariónico y de cualquier otra carga implicada.
Pensar en un ejemplo concreto probablemente nos ayude a entender todo el proceso mejor. Imaginemos la interacción entre un electrón y su antipartícula, el positrón. Cuando estas dos partículas se encuentran, su masa combinada se convierte completamente en energía. Pero no de cualquier forma. Puesto que son partículas con propiedades cuánticas perfectamente opuestas, el resultado de la interacción deberá tener las mismas propiedades globales. Es decir, puesto que el electrón tiene carga eléctrica negativa y el positrón positiva, la carga eléctrica total del estado inicial (antes de que comience la interacción) es cero. También, el electrón tiene número leptónico positivo (lo cual significa únicamente que es un leptón), mientras que el positrón tiene número leptónico negativo (porque es un antileptón). Por tanto el número leptónico total será cero. Además, el número bariónico también es cero (porque no son bariones) y no tienen carga de color (porque esta propiedad es única de quarks y gluones).
El estado final obtenido tras el proceso de interacción deberá tener todas estas características simultáneamente. Deberá tener carga eléctrica, número leptónico, número bariónico, carga de color y otros valores igual a cero. No hay muchas partículas que satisfagan todas estas restricciones al mismo tiempo. No podrán formar quarks o gluones, pues tendrían carga de color, no podrán formar protones o neutrones pues tendrán número bariónico distinto de cero (y carga eléctrica, en el caso del protón). No podrán formar un neutrino aislado pues tendrá número leptónico. Solo podrán formar partículas que inicialmente no tengan ninguna de estas cargas mencionadas o como mucho, pares de partículas para los que las cargas se anulen completamente.
Con todo, lo más probable es que el par electrón-positrón acabe transformándose en un par de fotones. Si tiene suficiente energía, podrá formar otras partículas, como parejas de mesón-antimesón, que mantengan las cargas a cero. La interacción electromagnética es más intensa que las interacciones débiles y por tanto está favorecida en cualquier proceso de interacción. Pero a altas energías, la interacción débil gana relevancia y este proceso de aniquilación podrá emitir un par neutrino-antineutrino o, si tiene energía suficiente, pares de bosones W o Z. Estos procesos se han observado en aceleradores de partículas. Se cree también que debería ser posible observar la aniquilación electrón-positrón en un par de bosones de Higgs y este es uno de los motivadores principales para la construcción del futuro International Linear Collider, que tendrá suficiente energía para presenciar este tipo de procesos.
La representación de la aniquilación en la ficción a menudo ignora estas complejidades. No se trata de un evento espectacular y explosivo, sino de un proceso que ocurre a escalas subatómicas y que requiere condiciones muy precisas para suceder. Esta diferencia entre la percepción popular y la realidad científica subraya la importancia de entender la aniquilación materia-antimateria no como un simple mecanismo de generación de energía, sino como un fenómeno que ofrece profundas perspectivas sobre las leyes fundamentales que rigen nuestro universo.
Referencias:
- D.J. Griffiths (2017). Introduction to Elementary Particles. Wiley. ISBN 0-471-60386-4
- Hubbell, J.H. (2006). "Electron positron pair production by photons: A historical overview". Radiation Physics and Chemistry. 75 (6) doi:10.1016/j.radphyschem.2005.10.008
