ANTIMATERIA Y ANTIPARTICULAS

POR: SOLIS HUETE LUIS

Antipartículas

Una antipartícula es otra partícula que tiene casi todo igual a las partículas (masa y otros atributos), excepto su carga. La carga eléctrica de las antipartículas tienen signo opuesto al de la carga de las partículas.

Electrón

Protón

Neutrón

Positrón

Antiprotón

Antineutrón

Partícula elemental

Las partículas elementales son losconstituyentes elementales de lamateria; más precisamente sonpartículas que no están constituidaspor partículas más pequeñas ni seconoce que tengan estructurainterna.

Modelo estándar de partículas elementales.

Fermión

Es uno de los dos tipos básicos departículas elementales que existen enla naturaleza (el otro tipo es el bosón).Los fermiones se caracterizan portener espín semi-entero (1/2, 3/2, ...).En el modelo estándar existen dostipos de fermiones fundamentales, losquarks y los leptones.

Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.

Quarks

En física de partículas, los cuarks o quarks son losfermiones elementales masivos que interactúanfuertemente formando la materia nuclear y ciertostipos de partículas llamadas hadrones. Junto conlos leptones, son los constituyentes fundamentalesde la materia bariónico.

Los cuarks son las únicas partículas fundamentalesque interactúan con las cuatro fuerzasfundamentales. Son partículas de espín 1/2, y sonfermiones de Dirac por lo que suscorrespondientes antipartículas existen. Un neutrón, compuesto por

dos quark abajo (d) y un quark arriba (u).

Tipos de quark

Quark up Quark down Quark strange

Familia Fermión

Antipartícula Antiquark up

( 𝑢)

Masa 1,7-3,1 MeV/c2

Carga eléctrica +2/3 e

Espín 1/2

Familia Fermión

Antipartícula Antiquark

down ( 𝑑)

Masa 4 - 8 MeV/c2

Carga eléctrica

-1/3 e

Espín ½ ℎ

Familia Fermión

Antipartícula Antiquark strange

( 𝑠)

Masa 80 - 130 MeV/c2

Carga eléctrica -1/3 e

Espín ½ ℎ

Quark charm Quark bottom Quark top

Familia Fermión

Antipartícula Antiquark

charm ( 𝑐)

Masa 1.150 - 1.350 MeV/c2

Carga eléctrica +2/3 e

Espín ½ ℎ

Familia Fermión

Antipartícula Antiquark

bottom ( 𝑏)

Masa 4.19 GeV/c2

Carga eléctrica

-1/3 e

Espín ½ ℎ

Familia Fermión

Antipartícula Antiquark top ( 𝑡)

Masa 173,34 ± 0,76 GeV/c2

Carga eléctrica +2/3 e

Espín ½

Quark / Antiquark

Símbolo Carga (e) Numero bariónico Extrañeza

Up u 𝑢 +2/3 -2/3 1/3 -1/3 0 0

Down d 𝑑 -1/3 +1/3 1/3 -1/3 0 0

Charm c 𝑐 +2/3 -2/3 1/3 -1/3 0 0

Strange s 𝑠 -1/3 +1/3 1/3 -1/3 -1 1

Top t 𝑡 +2/3 -2/3 1/3 -1/3 0 0

Bottom b 𝑏 -1/3 +1/3 1/3 -1/3 0 0

Leptones

Los leptones forman parte de una familia departículas elementales conocida como lafamilia de los fermiones, al igual que losquarks.

Un leptón es un fermión fundamental sin cargahadrónica o de color. Existen seis leptones ysus correspondientes antipartículas: el electrón,el muon, el tau y tres neutrinos asociados acada uno de ellos.

Propiedades de los leptones

Hay tres sabores conocidos de leptones: el electrón, el muon y el leptóntau.

Cada sabor está representado por un par de partículas llamadas dobletedébil.

Todas, es decir las seis partículas, tienen su correspondiente antipartícula(como el positrón o el antineutrino electrónico).

Todos los leptones cargados conocidos tienen una sencilla unidad decarga eléctrica (que depende de si son partículas o antipartículas) y todoslos neutrinos y antineutrinos tienen carga eléctrica cero.

Los leptones cargados tienen dos estados de espín posibles, mientras queen los neutrinos se observa una sola helicidad (todos los neutrinos sonlevógiros y todos los antineutrinos son dextrógiros.

Tabla de leptonesNombre Símbolo Carga (e) Masa(MeV/c2)

Electrón/Positrón

𝑒− 𝑒+ -1 +1 0.511 0.511

Muon/Antimuon

𝜇− 𝜇+ -1 +1 105.7 105.7

Tau/ Antitau 𝜏− 𝜏+ -1 +1 1777 1777

Neutrinoelectrónico/ Electrón antineutrino

𝜈𝑒− 𝜈𝑒

+ 0 0 < 0.0000022

< 0.0000022

Neutrinomuonico/ Muon antineutrino

𝜈𝜇− 𝜈𝜇

+ 0 0 < 0.17 < 0.17

Tau neutrino/ Tau antineutrino

𝜈𝜏 𝜈𝜏 0 0 < 15.5 < 15.5

Bosón

En física de partículas, un bosón es unapartícula elemental con espín cero, es decir,una partícula que obedece a la estadística deBose – Einstein (estadística cuántica), de lacual deriva su nombre. Los bosones sonimportantes para el modelo estándar de laspartículas.

Bosón de Higgs

El bosón de Higgs o partícula de Higgs esun tipo de partícula elemental que se creetiene un papel fundamental en elmecanismo por el que se origina la masaen el Universo.

Una traza hipotética del bosón de Higgs en una colisión

simulada de protón – protón.

¿Por qué es tan importante el bosón de Higgs?

Porque es la única partícula predicha por el Modelo Estándar de Física departículas que aun no ha sido descubierta. El modelo estándar describeperfectamente las partículas elementales y sus interacciones, pero quedauna parte importante por confirmar, precisamente la que da respuesta alorigen de la masa. Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si elelectrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría lamateria como la conocemos, por lo que tampoco habría química, nibiología ni existiríamos nosotros mismos.

Partículas Elementales

Materia Portadores de Fuerza

Quarks Leptones

Complementariedad Quark - Leptón

Hadrones

Moléculas

Mesones Bariones

Núcleo

Átomos

Gluones Bosones W y Z Fotones Gravitones

Fuerte

Cromodinamica cuántica

Débil Electromagnetismo

Electrodinámica cuántica

Teoría electrodébil

Gran Teoría Unificada

Teoría del Todo

Gravedad

Positrón

El positrón o antielectrón es una partícula elemental, antipartícula del electrón. Posee la misma cantidad de masa y espín; sin embargo esta es positiva.

Clasificación Partículas elementales

Familia Fermión

Grupo Leptón

Teorizada Paul Dirac (1928)

Descubierta Carl David Anderson (1932)

Masa 9,10938215 × 10−31 kg1/1822,88849 uma

Carga eléctrica +1,602176487 × 10−19 C

Momento magnético −1.00115965218111 μB

Espín ± 1/2

Descubrimiento

En 1932, poco después de la predicción del positrón por Dirac, Carl D.Anderson encontró que las colisiones de los rayos cósmicos producíanestas partículas dentro de una cámara de niebla— un detector departículas donde los electrones o los positrones que se mueven a través deél dejan detrás de ellos trayectorias, marcando su movimiento por el gas.La relación entre la carga eléctrica y la masa de una partícula puedemedirse observando las curvas que marcan en su camino por la cámara deniebla dentro de un campo magnético.

En 1932, Carl Anderson, físico del Instituto de Tecnología de California, detecto realmente al antielectrón (positrón)

Positrón

Uso de los positrones

Tomografía por emisión de positrones

La tomografía por emisión de positrones o PET es unatecnología sanitaria propia de una especialidad medica llamadamedición nuclear.

Esquema del proceso de captura de la PET

Antiprotón

El antiprotón (símbolo 𝑝) es la antipartícula del protón. Los antiprotones sonestables pero de vida muy corta. Un antiprotón se compone de dos antiquarksarriba y un antiquark abajo ( 𝑢 𝑢 𝑑 ).

Estructura de quarks de un antiprotón

Clasificación Antibarión

Familia Fermión

Grupo Hadrón

Teorizada Paul Dirac

Descubierta Emilio Segré & Owen Chamberlain (1955)

Masa 1,672 621 637(83)×10−27 kg938,272 013(23) MeV/𝑐2

Carga eléctrica -1,602 176 487 × 10−19 C

Espín 1⁄2

Descubrimiento

El descubrimiento del antiprotón fue publicado el 1 denoviembre de 1955 en Physical Review Letters .OwenChamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand y ThomasYpsilantis, miembros del Laboratorio de Radiación de laUniversidad de California en Berkeley, observaron unanueva partícula subatómica, idéntica al protón, perocon carga eléctrica negativa en lugar de positiva.Utilizaron el recién inaugurado Bevatrón, entonces elacelerador de partículas más potente del mundo, capazde acelerar protones hasta energías de unos 6,5 GeV. Laobservación de un antiprotón requería crear un parprotón-antiprotón, es decir, una energía superior aldoble de su masa, unos 2 GeV. En el Bevatrón sedecidió hacer incidir un haz de protones de 6,5 GeV enun blanco de neutrones estacionario. Descubrimiento del antiprotón

Uso de los antiprotones

El uso de los antiprotones en forma de proyectiles dirigidos a lugares específicosdel cuerpo (tumores) haría que, al aniquilarse en su destino, con cargas positivasallí existentes, se originasen rayos gamma y piones que saldrían del cuerpo, sedetectarían y producirían las correspondientes imágenes precisas. La energíaliberada podría usarse para destruir el tumor.

Antineutrón

El antineutrón es la antipartícula del neutrón y su símbolo es 𝑛. Un antineutrón tienen la mismamasa que un neutrón, y ninguna carga eléctrica neta pero tiene un numero bariónico opuesto(+1 para el neutrón, -1 para el antineutrón).

Estructura de quarks de un antineutrón

Clasificación Antibarión

Composición 1 antiquark up, 2 antiquarks down

Familia Fermión

Grupo Hadrón

Descubierto Bruce Cork (1956)

Masa 939,565 560(81) MeV/𝑐2

Carga eléctrica 0

Momento magnético +1.91 µN

Espín 1⁄2

Aniquilación partícula – antipartícula

Si una partícula y su antipartícula se encuentran en los estados cuánticos apropiados, entonces pueden aniquilarse la una a la otra y producir energía u otras partículas.

Aniquilación positrón - electrón La reacción e+ + e- → γ + γ se conoce como aniquilación positrón-electrón. Consiste en la conversión total de la masa de un electrón y un positrón en energía, es la forma más observada de aniquilación partícula-antipartícula.

Esquema de una aniquilación electrón – positrón

Cantidad de energía que produce una aniquilación partícula - antipartícula

La aniquilación de una partícula con una antipartícula genera grancantidad de energía según la ecuación de Einstein E=mc² La energíagenerada por kilo (9×1016 J/kg), es unas diez mil millones de veces mayorque la generada por reacciones químicas y diez mil veces mayor que laenergía nuclear de fisión.

Por ejemplo, se estima que sólo serían necesarios 10 miligramos deantimateria para propulsar una nave a Marte.

Antihidrogeno

Es el átomo de antimateria equivalente al hidrogeno común. Esta formado por un antiprotón y un positrón, por lo que tiene las mismas propiedades, pero con las cargas eléctricas invertidas.

Un Antihidrogeno esta formado por un antiprotón y un positrón

Historia experimental

En 1995, el CERN anuncio la creación de 9 átomos de hidrogeno en el experimento PS210.

Realizado en Fermilab confirmo el hecho, y poco después se crearon otras 100 átomos de hidrogeno mas. Se creo combinando en un acelerador de partículas, un antielectrón y un antiprotón, enfriados hasta casi el cero absoluto para frenarlos y confinarlos con campos magnéticos para que no chocaran con átomos normales.

Producción de otras antipartículas

En 1965, en la Unión Soviética se contaba con el mayor acelerador departículas del mundo. Se formo un grupo de investigación paraexperimentar con antimateria dirigido por el físico León Max Lederman yse consiguió producir la primera partícula compleja de antimateria: elantideuterio, formado por 2 partículas básicas: el antiprotón y elantineutrón. Posteriormente, usando el mismo acelerador, se consiguió elantihelio (dos antiprotones y dos antineutrones).

La partícula del ángel

Científicos de la Universidad de Stanford y la Universidad de California handescubierto la evidencia de la llamada 'partícula ángel' o fermión de Majorana,anunciada hace 80 años por el físico italiano Ettore Majorana. Lo inusual de estapartícula, apodada así a partir de la novela de Dan Brown 'Ángeles y Demonios',consiste en que es al mismo tiempo su propia antipartícula.

Teoría:

En 1937, un físico brillante, Ettore Majorana, predijo que en el caso de las partículasconocidas como fermiones (entre las que se incluye el protón, el neutrón, el electrón,el neutrino y el quark), deberían existir partículas que fueran, además, sus propiasantipartículas.

Experimento

El equipo de investigadores realizó un experimento mediante el cual apilójuntas las películas finas de dos materiales cuánticos y pasó una corrienteeléctrica a través de las mismas en una cámara de vacío enfriada. Conayuda de un imán, los investigadores pudieron modificar la velocidad delos electrones, y en ciertos puntos esta acción causó la aparente apariciónde las cuasi partículas de Majorana.

Partícula del ángel

AntimateriaES UNA FORMA DE MATERIA MENOS FRECUENTE QUE ESTA CONSTITUIDA PORANTIPARTÍCULAS, EN CONTRAPOSICIÓN A LA MATERIA COMÚN, QUE ESTA COMPUESTA DE PARTÍCULAS.

Historia de la antimateria

La existencia de la antimateria fue predicha antes de que nadie la hubiera observado. Al inicio delsiglo XX se enunciaron dos importantes teoría, la de la Relatividad de Einstein y la Teoría Cuánticade la materia de Schrödinger y Heisenberg. En 1929 el físico británico Paul Adrien Maurice Diracaplicó ambas teorías a la realidad atómica y logró , mediante una ecuación, predecir elcomportamiento de los electrones en el átomo.

El modelo matemático propuesto por Dirac, condujo a dos posibles soluciones. Una para describir el comportamiento de los electrones y otra que predice la existencia de electrones cargados positivamente , son los positrones.Desde entonces, se han ido descubriendo experimentalmente muchas de estas partículas.• Carl D. Anderson descubrió el positrón en 1932.• Emilio Segre y Owen Chamberlain descubrieron el antiprotón y antineutrón.

Preservación

La antimateria en forma de partícula cargada se puede contener por una combinación de un campo eléctrico y campo magnético, en un dispositivo llamado “trampa de Penning” o trampa iónica.

En azul las líneas de campo eléctrico y en rojo las líneas de campo magnético

Producción y costo

PRODUCCION:

La producción de antimateria, además deconsumir enormes cantidades deenergía, es muy poco eficiente, al igualque la capacidad de almacenamiento,que ronda solo el 1% de las partículascreadas. Debido a que el solo contactocon la materia, este se desintegran

COSTO:

A pesar de ser lo mas escaso, laantimateria es la sustancia mas caradel mundo, llegando a costar unaproximado de 62 500 millones deUSD tan solo el miligramo.

Antimateria

La antimateria en la teoría del Big Bang

Se especula que la materia que el día de hoy forma actualmente el universo podría ser el resultado de una asimetría entre materia y antimateria. Se dice que la diferencia es tan insignificante como de una partícula mas de materia por cada diez mil millones de parejas partícula –antipartícula.

El Big Bang

¿Existen galaxias de antimateria ligada por antigravedad?

Antigravedad: Es una fuerza teórica o hipotética predicha por las leyes dela física de altas energías que consiste en la repulsión de todos los cuerposdebido a una fuerza que es igual en magnitud a la gravedad pero en vezde ser atractiva, es repulsiva.

Muchos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido serenteramente descartada. Esta pregunta plantea la hipótesis de que existangrandes extensiones de antimateria. Existen argumentos de que esta teoríasea improbable, debido a que la antimateria en forma de antipartículas secrea constantemente en el universo en las colisiones de alta energía. Sinembargo, estos son sucesos demasiado aislados como para que estasantipartículas puedan llegar a encontrase y combinarse.