Antipartícula

En el model estàndard de la física de partícules, una antipartícula és una partícula subatòmica complemetària d'una altra, ambdues tenen la mateixa massa, isoespín i vida mitjana (en el cas de les inestables), però la seva càrrega elèctrica i els seus nombres quàntics (nombre bariònic, nombre leptònic, isoespín, isoespín feble, etc.) tenen signe oposat. Cada partícula té la seva antipartícula, però en el cas de les partícules neutres, com el fotó, les seves antipartícules són elles mateixes. L'ocurrència de les antipartícules és menys freqüent.

Una altra antipartícula elemental notable és el positró, antipartícula de l'electró.

No sols les partícules elementals tenen antipartícules: les partícules compostes també tenen antipartícules, formades aquestes d'antipartícules elementals. És el cas de l'antiprotó i l'antineutró. Un altre exemple d'antipartícula és l'antiquark.

Si una partícula i una antipartícula es troben, es desintegren, ja sigui en forma de radiació electromagnètica, o bé en forma d'altres partícules més lleugeres. A la inversa, parells de partícula-antipartícula es poden formar a partir de col·lisions prou energètiques.

Història 
El concepte d'antipartícula va sorgir amb la publicació de l'equació de Dirac l'any 1928, una generalització relativista de l'equació d'ona de Schrödinger per a l'electró formulada pel físic britànic Paul Dirac (1902 – 1984). Aquesta equació tenia solucions amb signe positiu i amb signe negatiu. Una solució negativa implicava que, per exemple, un electró lliure havia d'emetre un fotó per tal de passar als estats descrits per aquest tipus de solució, cosa que no s'havia observat mai. En un primer moment Dirac va considerar que la solució negativa podia correspondre a protons i no una partícula nova. Però més tard, l'any 1931, va proposar l'existència de l'antielectró. La nova partícula no va trigar gaire a ser descoberta.

El 1929, el físic rus Dmitri Skobeltsyn (1892 – 1990), pioner en l'observació dels raigs còsmics amb la utilització d'una cambra de boira, va publicar l'article Über eine neue Art sehr schneller β-Strahlen, on informava de partícules que eren deflectides en la direcció oposada a la dels electrons.

El setembre de l'any 1932, Carl Anderson (1905 – 1991) va publicar a la revista Science les conclusions del seu treball d'observació de raigs còsmics al Caltech amb una càmera de boira amb un camp magnètic. Un article breu titulat The Apparent Existence of Easily Deflectable Positives, on va donar a conèixer el descobriment d'una partícula amb una massa similar a la de l'electró però amb càrrega positiva. La primera antipartícula havia estat descoberta, és el que avui dia coneixem com a positró. En reconeixement d'aquest treball li seria atorgat el Premi Nobel de Física de l'any 1936.

La interpretació de Dirac 
La interpretació física de les solucions negatives era problemàtica, si representaven estats d'energia negativa de les partícules aquestes haurien de passar espontàniament a un estat de menor energia, però això no passava. Per salvar aquest problema, Dirac va proposar la hipòtesi que el buit correspon a l'estat on tots els estats d'energia negativa es troben ocupats. Una mena de mar d'electrons amb energia negativa on el principi d'exclusió de Pauli evitaria que els electrons amb energia positiva ocupessin els estats d'energia negativa, ja completament plens. Addicionalment va proposar la possibilitat de l'existència d'alguns forats en el mar com a conseqüència que algun fotó hagi excitat un electró. Un forat en el buit seria una absència d'energia negativa, seria un estat de més energia i amb una càrrega relativa positiva, correspondria a una antipartícula d'energia positiva i càrrega oposada. D'altra banda, si una partícula en estat excitat es troba amb un buit, passaria a ocupar un estat de menys energia emetent un fotó.

La interpretació de Dirac presenta diferents problemes, com per exemple, el fet que han estat observats estats d'antipartícula pels bosons, i en aquest cas el principi d'exclusió de Pauli no té vigència perquè només és vàlid en cas d'espín semienter, i els bosons tenen espín enter. Addicionalment, que el mar d'electrons de Dirac estigui totalment ocupat implicaria una energia negativa infinita, i no estar clar com interpretar això físicament.

La interpretació de Stückelberg-Feynman 
Gràcies a la utilització d'acceleradors de partícules s'ha pogut constatar experimentalment que totes les partícules elementals que tenen espín 1/2 tenen una antipartícula equivalent. Tanmateix, les observacions indiquen que el seu comportament és similar al de les altres partícules, per exemple, es propaguen cap endavant en el temps, i això fa complicat fer-les cassar amb les solucions negatives de l'equació de Dirac.

La interpretació actual d'aquestes solucions d'energia negativa de l'equació de Dirac, sustentada sobre la teoria quàntica de camps, va ser proposada pel físic alemany Ernst Stückelberg (1905 – 1984) i complementada per l'estatunidenc Richard Feynman (1918 - 1988). Aquestes solucions s'interpreten com a partícules amb energia negativa que es propaguen cap enrere en el temps. Des del punt de vista de la funció d'ona de la partícula, això seria matemàticament equivalent a partícules idèntiques, però amb càrrega positiva que es propaguen cap endavant en el temps. És a dir, el cas de l'electró, una solució negativa correspondria a un electró (càrrega negativa) que es propaga cap enrere en el temps, o, el que seria el mateix, un positró (càrrega positiva) que es propaga endavant en el temps.

Vegeu també 
 Antimatèria.
 Aniquilació de matèria amb antimatèria.

Referències

Bibliografia