Pregúntele a Ethan: ¿Cómo es la antimateria fundamentalmente diferente de la materia?

Las colisiones de partículas de alta energía pueden dar lugar a la aparición de pares de partículas / antipartículas o fotones, y la aniquilación de los pares de partículas / antipartículas también conducen a la aparición de fotones, como muestran estos rastros en una cámara de burbujas. Pero, ¿qué determina la pertenencia de una partícula a la materia o antimateria?

Cada partícula de materia conocida en el Universo tiene un doble antimaterial. La antimateria tiene muchas propiedades similares a las de la materia normal, incluidos los tipos de interacciones, la masa, la magnitud de la carga eléctrica, etc. Pero hay varias diferencias fundamentales. Sin embargo, se pueden decir con certeza dos cosas sobre la interacción de partículas de materia y antimateria: si colisionas una partícula de materia con su doble de antimateria, se aniquilan instantáneamente, convirtiéndose en energía, y en cualquier interacción que cree una partícula de materia, su gemelo de antimateria necesariamente surgirá. Entonces, ¿qué hace que la antimateria sea especial? Esto es exactamente lo que nuestro lector quiere saber, quien pregunta:

¿Cuáles son las diferencias entre la materia y la antimateria en un nivel fundamental? ¿Existe alguna propiedad interna que haga que una partícula se convierta en materia o antimateria? ¿Existe algún tipo de propiedad interna (como el giro) que distingue a los quarks y antiquarks? ¿Qué le da al prefijo antimateria "anti"?

Para comprender la respuesta a la pregunta, debe observar las partículas existentes (y las antipartículas).


Las partículas y antipartículas del Modelo Estándar obedecen todo tipo de leyes de conservación, pero existen diferencias fundamentales entre fermiones y bosones.

Este es el modelo estándar de partículas elementales: un conjunto completo de partículas abiertas en el universo conocido. Por lo general, se dividen en dos clases: bosones con giros enteros (..., -2, -1, 0, +1, +2, ...), que no pertenecen a la materia ni a la antimateria, y fermiones con giros de medio entero (..., -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, ...), obligados a caer en una de dos categorías: materia o antimateria. Cualquier partícula que solo desee crear tendrá muchas propiedades inherentes definidas por lo que llamamos números cuánticos . En una partícula aislada y separada, estas serán propiedades que le son familiares y varias propiedades que pueden resultarle desconocidas.


Las posibles configuraciones de un electrón en un átomo de hidrógeno son sorprendentemente diferentes entre sí y, sin embargo, todas representan la misma partícula en estados cuánticos ligeramente diferentes. Las partículas y las antipartículas también tienen sus propios números cuánticos inmutables inherentes a ellas, y desempeñan un papel importante en la determinación de si una partícula pertenece a la materia, a la antimateria o a ninguna de las categorías.

De los simples, uno puede recordar masa y carga eléctrica. Por ejemplo, la masa en reposo de un electrón es 9.11 × 10 ^-31 kg, y su carga es -1.6 x 10 ^-19 C. Además, los electrones pueden unirse a los protones, lo que da un átomo de hidrógeno con un conjunto de líneas espectrales y líneas de emisión / absorción, dependiendo de su interacción electromagnética. El giro de electrones es +1/2 o -1/2, el número de leptones es +1, el número de la familia de leptones es +1 para la primera de las tres familias de leptones (electrones, mu, tau) (por simplicidad, omitimos números como isospin débil o hipercarga débil )

Dadas estas propiedades de un electrón, uno puede hacer una pregunta: ¿cómo debería ser una partícula doble de un electrón de antimateria según las reglas que gobiernan las partículas elementales?


En un átomo de hidrógeno simple, un solo electrón orbita alrededor de un solo protón. En un átomo de antihidrógeno, un positrón se mueve alrededor de un antiprotón. Los positrones y los antiprotones son gemelos en antimateria para electrones y protones, respectivamente.

Los valores de todos los números cuánticos deben conservarse. Pero en las antipartículas, los signos de estos números deben invertirse. Para un anti-electrón, esto significa que debe tener los siguientes números cuánticos:

• masa en reposo 9.11 × 10 ^-31 kg,
• carga eléctrica 1.6 x ^10-19 C,
• girar -1/2 o +1/2,
• número de lepton -1,
• el número de la familia lepton es -1.

Cuando lo asocia con un antiprotón, debería generar exactamente la misma serie de líneas espectrales y líneas de absorción / emisión que el sistema de electrones / protones demuestra.


Las transiciones electrónicas en un átomo de hidrógeno y las longitudes de onda de los fotones resultantes demuestran el efecto de la energía de unión y la interacción entre un electrón y un protón en la física cuántica. Se confirma la identidad de las líneas espectrales en positrones y antiprotones.

Todos estos hechos han sido confirmados experimentalmente. Una partícula que coincide exactamente con la descripción de un anti-electrón se conoce como positrón. Esto es necesario cuando considera cómo creamos la materia y la antimateria: por lo general, los creamos de la nada. Es decir, si dos partículas chocan a energías suficientemente altas, a menudo es posible obtener un par adicional de partículas / antipartículas a partir del exceso de energía (de Einstein E = mc ² ), de acuerdo con la ley de conservación.


Al confrontar una partícula con una antipartícula, podemos esperar que se aniquile, convirtiéndose en energía. Y de esto se deduce que al chocar dos partículas con una energía suficientemente alta, puede crear un par de partículas / antipartículas

Pero no solo se debe conservar la energía; ¡Todavía hay una montaña entera de números cuánticos que también necesitan ser preservados! Estos incluyen:

• carga electrica
• momento angular (una combinación de giro y momento angular orbital; para partículas individuales es solo un giro),
• número de leptones
• número de barión
• número de familia lepton,
• carga de color

Y de todas estas propiedades internas, dos determinan la pertenencia a la materia y la antimateria: el número bariónico y el número leptónico.


En el Universo temprano había muchísimas de todas las partículas y sus antipartículas, pero a medida que se enfriaba, la mayoría de las partículas se aniquilaron. Toda nuestra materia ordinaria ha surgido de quarks y leptones, con números positivos de bariones y leptones, que exceden el número de sus dobles, anticuarios y antileptones.

Si alguno de estos números es positivo, entonces la partícula pertenece a la materia ordinaria. Por lo tanto, los quarks (con un número de barión +1/3), electrones, muones, tau, neutrinos (con un número de leptón +1) pertenecen a la materia, y los antiquarks, positrones, antimuones, antitau, antineutrino - a antimateria. Todos estos son fermiones y antifermiones, y cada fermión es una partícula de materia, y el antifermión es una partícula de antimateria.


Partículas del modelo estándar con masas en MeV / s ² indicadas en las esquinas superiores izquierdas. Las tres columnas de la izquierda son fermiones, las dos columnas de la derecha son bosones. Y aunque todas las partículas tienen su propia antipartícula, solo los fermiones pertenecen a la materia o la antimateria.

Pero también hay bosones. Hay gluones cuyas antipartículas son gluones con combinaciones de colores opuestas; hay W ⁺ con la antipartícula W ^- (con la carga eléctrica opuesta); hay Z ⁰ , el bosón de Higgs y un fotón, cuyas antipartículas son ellos mismos. Sin embargo, los bosones no están relacionados con la materia ni con la antimateria. Sin los números de leptones o bariones, estas partículas pueden tener carga eléctrica, carga de color, rotación, etc. - pero nadie puede llamarlos "materia" o "antimateria". En este caso, los bosones son solo bosones, y si no tienen carga, entonces son sus propias antipartículas.


En todas las escalas del Universo, desde nuestra región hasta el espacio interestelar, desde galaxias individuales hasta cúmulos y filamentos y la gran red cósmica, todo lo que observamos nos parece compuesto de materia ordinaria, pero no de antimateria. Este acertijo permanece sin resolver.

Entonces, ¿qué le da el prefijo "anti" a la antimateria? Si tomamos una partícula separada, su antipartícula tendrá la misma masa y todos los mismos números cuánticos con el signo opuesto: es una partícula que puede aniquilarse desde la primera y convertirse en energía. Pero para ser materia, la partícula debe tener un número positivo de barión o leptón. Para ser antimateria, debe tener un número negativo de barión o leptón. Además, en nuestro Universo no hay razones fundamentales por las cuales la materia sea superior a la antimateria de ninguna manera; Todavía no sabemos cómo se rompió esta simetría (aunque tenemos ideas). Si todo fuera diferente, probablemente llamaríamos a todo lo que estamos hechos de "materia" y el resto "antimateria", pero estos nombres se dan arbitrariamente. Como siempre, el universo está del lado de los que sobrevivieron.