Antipartículas, esas cosas raras ( I )

De vez en cuando se oye en varias noticias eso de «antipartículas«, algo que nos suena más bien a ciencia ficción o destrucción total. Pero… ¿ qué son realmente y de dónde surgen las antipartículas ?

Antipartículas

Conocemos que toda la materia está formada por unas «pocas» partículas, fundamentalmente protones, neutrones y electrones (hay muchas otras, pero atengámonos a las básicas).
Cada una de ellas tiene una masa, carga (positiva, negativa o neutra) y spin (algo así como un «giro» de la partícula) propio, y diferente de el de otra partícula.

Ahora, ¿ qué ocurriría si tenemos, por ejemplo, un electrón, con todas sus características comunes, pero con una carga positiva, en vez de negativa ?
Pues que tenemos lo que se conoce como positrón (la antipartícula del electrón).

Eso son las antipartículas, una partícula normal, pero que tiene una carga contraria a la que solemos observar.
Así, tenemos el antiprotón, el positrón o el antineutrón.

Aquí, cabe comentar que, como el neutrón tiene carga cero, su antipartícula sería ella misma. Sin embargo, en el anterior post hemos visto que el neutrón está compuesto de 3 quarks, y estos sí tienen carga. Por lo tanto, un neutrón sí se diferencia de su antineutrón en que está formado por antiquarks, en vez de quarks.

Descubrimiento teórico

Como en muchos sucesos de la física, primero se encontró teóricamente su existencia, y después llegó la comprobación experimental.
Esta predicción vino de Dirac, uno de los grandes científicos que contribuyó notablemente en la mecánica cuántica.

Una vez Schrödinger hubo descrito el «estado» de cualquier partícula mediante una ecuación de ondas (recordemos que la primera contribución de la mecánica cuántica fue que determinaba que todos los objetos son ondas y partículas a la vez, y que toda su información viene descrita por una ecuación de ondas) solo quedaba una cosa para tener una teoría completa, y esto era la descripción para sistemas relativistas (que se mueven a velocidades próximas a la de la luz).
Por supuesto, esto requería conjugar la nueva teoría cuántica, con la relatividad de Einstein.

El problema llegó cuando Klein y Gordon obtuvieron una ecuación, en la que, entre otros problemas, se predecía que cualquier sistema pudiera tener energía negativas sin ningún límite inferior.

Esto, que en principio puede que no nos parezca mucha complicación, tiene un gran inconveniente: conociendo que la naturaleza siempre tiende al mínimo de energía, significaría que todo estaría en caída contínua, perdiendo energía, cosa que obviamente no vemos: un electrón se mantiene orbitando al núcleo en un átomo y no sigue descendiendo hacia el protón y continúa «más allá».
Esta fue la razón por la que los propios autores rechazaron su ecuación.

Sin embargo, cuando Dirac, a través de otro razonamiento, llegó a otra ecuación distinta, también relativista, que describía muy bien el comportamiento de los electrones, se dio cuenta que le ocurría lo mismo: existían infinitos niveles de energía negativa.

Pero la genialidad de Dirac le hizo no rechazarla:
si suponemos (esto era su hipótesis) que estos niveles están completos con partículas (ojo, con esto, de repente tendríamos infinitas partículas en unos niveles de energía que no se comprendían), entonces todo funcionaría como lo vemos, ya que al estar completos, la partícula no podría caer a éstos.

¿ Y qué ocurre si una de esas partículas que ocupan esos niveles «saltara» a uno de los de energía positiva (los normales) ?
Pues que veríamos como si (una de las palabras mágicas en la física) hubiera una partícula normal, pero de carga contraria, debido al «hueco» que se ha creado.
Y esto es lo que denominamos antipartícula

En el siguiente post detallaremos cómo evolucionó la comprensión de estas «partículas».