El lado de la ciencia de la materia y la antimateria

Un saludo académico y fraternal a todos el mundo de Steemit, igualmente a las comunidades de #cervantes, #proconocimiento, #steemitvenezuela, y #entropia que apoyan la academia y la ciencia, que enriquece el conocimiento. La idea de materia es la ser la sustancia básica, que se compone los cuerpos, la materia no forma un continua en el universo, ni a nivel macroscópico de los vacíos del espacios interestelares, ni a nivel ultramicroscópico del vacío entre una partícula elemental y otra. La antimateria por su parte, es una realidad material que ilustra magníficamente los cambios de la física moderna.

Físicamente se define la materia como la forma de energía, que tiene los atributos de poseer una masa, con una extensión en el espacio y tiempo, la antimateria a igual que la materia, es una sustancia compuesta por átomos formados por partículas elementales, que tiene la misma cantidad de masa y energía eléctrica, que los electrones, los protones y los neutrones, pero cuya carga es de signo contrario, colectivamente se denomina antipartícula, el cual se clasifican en positrones, antiprotones y antineutrones. La materia y la antimateria no pueden existir cerca una de la otra, ya que la más pequeña fracción de tiempo, se aniquila mutuamente con la producción de gran cantidad de energía, se ha sugerido que algunas galaxias distantes están compuesta por antimateria, el concepto de antimateria surgió como un recurso retórico en el estudio y análisis de la dualidad entre la carga positiva y la negativa.

La partículas subatómicas de la antimateria tienen cargas opuestas a las partículas de la materia, en la imagen, protón, electrón y neutrón en ambas, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons, Author: Anynobody

Las hipótesis científicas aceptadas suponen que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones, sin embargo, el universo que observamos aparentemente está compuesto únicamente por partículas y no por antipartículas. Se desconocen los motivos por los que no se han encontrado grandes estructuras de antimateria en el universo.

Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada, es una opción en donde se plantea la hipótesis, que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria, hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta hipótesis es muy improbable, ya que la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como los rayos cósmicos, sin embargo estos son sucesos demasiado aislados, para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse.

Proyección artística de un cohete propulsado por antimateria, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons, Author: NASA/MSFC

La NASA ha enviado la sonda Alpha Magnetic Spectrometer (Espectrómetro Magnético Alpha) para buscar rastros de antimateria más compleja, que pudiesen indicar, que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.

Los trabajos de Paul Dirac, sobre los estados energéticos de los electrones condujeron, primero a la predicción de una partícula que debía ser idéntica en todo al electrón excepto su carga eléctrica, que era positiva y posteriormente a su producción en el laboratorio, esta partícula que recibió el nombre de positrón no se encuentra en la materia ordinaria, ya que su esperanza de vida es extremamente corta. El positrón debido a la atracción entre cargas opuesta, será atraído por el electrón, será atraído por el electrón produciendo una colisión entre ambos, que resultara su muta desaparición, al haberse convertido sus masas en energía. Este proceso se llama aniquilación y la energía resultante es emitida en forma de radiaciones electromagnética de alta energía o rayos gamas, la combinación atómica positrón-electrón se llama positromio y ha sido observada en el laboratorio ante de aniquilarse las dos partículas y convertirse en un rayos gamma.

Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), En 1926 desarrolló una versión de la mecánica cuántica en la que unía el trabajo previo de Werner Heisenberg y el de Erwin Schrödinger en un único modelo matemático que asocia cantidades medibles con operadores que actúan en el espacio vectorial de Hilbert y describe el estado físico del sistema. Por este trabajo recibió un doctorado en física por Cambridge, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons, Author: Cambridge University, Cavendish Laboratory [1]

La llamada ecuación de Dirac es la versión relativista de la ecuación de ondas de la mecánica cuántica y fue formulada por Paul Dirac en 1928, da una descripción de las partículas elementales de espín ½, como el electrón y es completamente consistente con los principios de la mecánica cuántica de la teoría de la relatividad especial. Además de dar cuenta del espín, la ecuación predice la existencia de antimateria.

La ecuación de Dirac fue originalmente formulada para describir el electrón, las referencias se harán respecto a "electrones", aunque actualmente la ecuación se aplica a otros tipos de partículas elementales de espín ½, como los quarks. Una ecuación modificada de Dirac, puede emplearse para describir de forma aproximada los protones y los neutrones, formados ambos por partículas más pequeñas llamadas quarks (por este hecho, a protones y neutrones no se les da la consideración de partículas elementales).

La ecuación de Dirac presenta la siguiente forma:

Siendo m la masa en reposo del electrón, c la velocidad de la luz, p el operador de momento, ℏ la constante reducida de Planck, x y t las coordenadas del espacio y el tiempo, respectivamente; y ψ (x, t) una función de onda de cuatro componentes. La función de onda ha de ser formulada como un espinor (objeto matemático similar a un vector que cambia de signo con una rotación de 2π descubierto por Pauli y Dirac) de cuatro componentes y no como un simple escalar, debido a los requerimientos de la relatividad especial. Los α son operadores lineales que gobiernan la función de onda, escritos como una matriz y son matrices de 4×4 conocidas como matrices de Dirac.

Las partículas de antimateria correspondiente al protón y al neutrón también fueron descubiertas tras muchos años de especular sobre su existencia, las propiedades eléctricas de la antimateria son la opuesta de la materia ordinaria, así el antiprotón tiene carga negativa y el antineutrón, aunque eléctricamente también es neutro, tiene un momento magnético en sentido opuesto al del neutrón. La energía producida por la aniquilación de protones-antiprotones y neutrones-antineutrones es trasportada por los mesones pi o piones y los mesones K o kaones que a continuación se desintegran en dos rayos gamma.

Acelerador de antiprotones del CERN, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons, Author:Tom Purves from Toronto, canada

Han sido descubiertas otras muchas partículas subatómicas de las que se conocen actualmente sus correspondiente antipartículas: muones, piones positivos, piones negativo, el mesón K, el antimesón K, bariones y antibariones, muchas de estas partícula recientemente descubiertas tiene una vida demasiado corta para llegar a combinarse con electrones, con excepción del muón positivo, el cual junto a un electrón forma el átomo de muonio.

Los experimentos realizados con mesones K y antimesones k, permitieron conocer que la iteración gravitacional entre materia y antimateria era idéntica, que materia y antimateria, esta era una cuestión de gran importancia por lo que la repulsión gravitacional entre materia y antimateria estaba en contradicción con la teoría de la relatividad, por lo que si materia y antimateria se repelían había resultado plenamente satisfactoria y crear una nueva teoría que no estuviera en contradicción con los hechos. Se han propuesto repentinamente una explicación basada en la aniquilación materia-antimateria para explicar la extraordinaria cantidad emitida por los quasares, los quasares emiten una cantidad de energía tan grande desde un lugar tan proporcionalmente reducido, que no existe ninguna ley física, el cual permita que los científico explicar el origen de dicha energía, no todos los físicos dan ciertas esta explicación y busca otra mas convencional.

Si una partícula y su antipartícula se encuentran en los estados cuánticos apropiados, entonces pueden aniquilarse la una a la otra y producir otras partículas, las reacciones como:

La aniquilación de un par electrón-positrón en un solo fotón: e+ + e- → γ no puede ocurrir porque es imposible que se conserven la energía y el momento a la vez en este proceso, la reacción inversa es también imposible por esta razón. Este fenómeno se observa en la naturaleza; se puede crear un par electrón-positrón a partir de un solo fotón con una energía de al menos la masa de ambas partículas: 1.022 MeV, lo cierto es que, según la teoría cuántica de campos, este proceso está permitido como un estado cuántico intermedio para tiempos suficientemente cortos en los que la violación de la conservación de la energía puede acomodarse al principio de incertidumbre de Heisenberg.

Esto abre la vía para la producción de pares virtuales o su aniquilación donde el estado cuántico de una sola partícula puede fluctuar en un estado cuántico de dos partículas y volver a su estado inicial, estos procesos son importantes en el estado vacío y la renormalización de una teoría cuántica de campos. También abre el camino para una mezcla de partículas neutras a través de procesos como el mostrado aquí, que es un ejemplo complicado de la renormalización de la masa.

No puede negarse con absoluto rotundidad, la presencia de una elevada cantidad de antimateria en algún lugar del universo, ni que alguna fuente cósmica de energía tenga su origen en la aniquilación materia-antimateria, pero puede demostrarse que el valor relativo total de antimateria en nuestra galaxia es de una diez millonésima parte.

Fuente Bibliográfica

La Antimateria por Gabriel Chardin - 2001.

Dirac, la antimateria: el reflejo oscuro de la materia por Juan Antonio Caballero Carretero - 2013.

Cosmología Física - Página 86 por Jordi Cepa - 2007.

AntimateriaWikipedia.

AntipartículaWikipedia.