Cuando hace 13.700 millones de años tuvo lugar el Big-Bang y se crearon las partículas, algunas de ellas se crearon en dos versiones, que manteniendo iguales algunas de sus propiedades se diferenciaban solo en algunas otras. El caso más simple y conocido es el del electrón y el positrón que tienen iguales su masa y su espín, pero el primero tiene una carga eléctrica negativa (e–) y el segundo la tiene positiva (e+). Esto se expresa diciendo que el positrón es la antipartícula del electrón.
En general, podemos decir que no cambian las propiedades que no pueden tener valores opuestos a los que ya tienen, como la masa o el espín, y sí cambian las propiedades que pueden tener valores opuestos a los que ya tienen, como la carga eléctrica, la carga débil, las interacciones fuerte y débil, o el número bariónico, dando lugar a que cada partícula y su antipartícula tengan propiedades opuestas.
Todas las partículas, como los electrones, los muones, los neutrinos, o los quarks, tienen su correspondientes antipartículas, excepto el fotón y el bosón de Higgs, que al no tener ninguna propiedad que pueda cambiarse son sus propias antipartículas. Si tomáramos la antipartícula del protón y pusiéramos orbitando a su alrededor los correspondientes positrones tendríamos un antiátomo, que podría ser la base de una materia alternativa a la que conocemos, que se denomina antimateria. Como el mundo está heho de materia y no de antimateria, cabe pensar que lo que existe realmente es la materia y que la antimateria es solo una fantasía de los científicos. De ahí que para mucha gente la antimateria resulte algo misteriosa.
La existencia de antipartículas es una realidad. Tras el Big-Bang, se crearon partículas y antipartículas casi en la misma cantidad. Pero cuando una partícula se encuentra con su antipartícula se aniquilan mutuamente, en un proceso que es de los más energéticos que existen en el universo. Una colisión de un gramo de materia con otro gramo de antimateria produciría una explosión dos veces mayor que la de la bomba de Hiroshima, dando lugar a la creación de fotones, e incluso a la creación de partículas con masa según la energía puesta en juego en el choque. En lugar de preguntarnos por qué desaparecieron las antipartículas parece más correcto preguntarnos más bien por qué sobrevivieron las partículas. La respuesta podría ser que las partículas se crearon en mayor número que las antipartículas.
El conocimiento de la existencia de las antipartículas data de 1931, y se debió de forma independiente y simultánea a Carl Anderson en Estados Unidos y a Paul Dirac en Europa. El primero lo hizo de forma experimental estudiando la radiación cósmica con una cámara de niebla, y a la partícula descubierta la llamó positrón; Dirac postuló la existencia del positrón para interpretar la solución de energía negativa de su ecuación,
A continuación, analizando las radiaciones cósmicas se descubrieron los muones, los piones y sus correspondientes antipartículas. Sin embargo, el antiprotón se resistió un poco más y no se descubrió hasta 1955, lo que tuvo lugar en el acelerador de partículas del laboratorio Fermilab. En este mimo acelerador se descubrió el antineutrón haciendo colisionar protones con antiprotones.
Pero las antipartículas no solo se creearon en el Big-Bang. En el universo actual se producen antipartículas en casi todos los procesos astrofísicos, que por lo general suelen ser muy energéticos. Por ejemplo, se calcula que el 10% de la luz solar proviene de la aniquilación de electrones (e–) y positrones (e+). En las zonas próximas a los pulsars, que son estrellas de neutrones que giran a gran velocidad generando fuertes campos magnéticos, se crean también enormes cantidades de pares de electrones y positrones.
Otras fuentes de creación de antipartículas son las cascadas de rayos cósmicos. Cuando una partícula que llega del exterior choca con suficiente energía con un átomo de la atmósfera terrestre, se poduce una cascada de creación y aniquilación de partículas y antipartículas como la que se muestra en la figura 1.
Figura 1.- Cascada de rayos cósmicos
Al comienzo del proceso vemos cómo la partícula que llega desde el exterior, al chocar con la atmósfera, da lugar a un pión y un antipión, marcados ambos con la letra л. Siguiendo por la rama de la derecha vemos que el pión se desintegra en dos fotones, uno de los cuales da lugar a una pareja electrón-positrón y que, finalmente, el electrón da lugar a un positrón y un fotón. Algunas de estas partícula y antipartículas pueden escaparse y otras pueden llegar a la superficie de la tierra. Cuando esto ocurre, algunas de ellas, como los muones y antimuhones, la penetran y otras, como los neutrinos y antinutrinos, la atraviesan sin enterarse de nada. El 98% de las partículas que llegan del exterior y generan estas cascadas son protones y partículas alfa (núcleos de helio con dos protones y dos neutrones), el resto de casos son electrones y núcleos atómicos, y, en raras ocasiones, positrones y antiprotones. Todo esto se estudia con detectores que se instalan en satélites, en globos o en la Estación Espacial Internacional.
Estos procesos naturales no son las únicas fuentes de creación de antipartículas. También pueden crearse en los aceleradores de partículas, entre los que destacan el citado del Fermilab, y el acelerador de laboratorio CERN. En estos centros se aceleran haces de partículas utilizando campos eléctricos. Estos haces se confinan mediante campos magnéticos y se hacen colisionar entre ellos o con un blanco metálico. En estas colisiones se crean tantas partículas como antipartículas.
Para terminar, podemos recordar que también existen sustancias que emiten positrones como son algunos isótopos del sodio y el potasio. Por eso, un plátano, que contiene mucho potasio, puede emitir del orden de 15 positrones al día.
Figura de cabecera.- Aniquilación de un electrón y un positrón con emisión de fotones.
El blog de Enrique Reina 