Antipartículas CIENCIA

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Ciencia

Generalidades y descubrimiento. La existencia de a. fue prevista ya en 1930-31 como una consecuencia de la renombrada teoría del electrón, formulada por el físico inglés P. A. M. Dirac (v.), de la que deriva el llamado principio de invariancia bajo la conjugación de carga. Una consecuencia del mismo es que a cada partícula (v. PARTÍCULAS ELEMENTALES) debe corresponderle otra con carga conjugada o antipartícula, dotada con la misma masa y carga, aunque ésta es de signo contrario al de la partícula. El positrón o electrón positivo, descubierto en 1932 por C. D. Anderson (del California Institute of Technology), es la a. del electrón. A partir de 1933 aumentó notablemente el número de partículas conocidas hasta entonces, según indica la tabla, además de los dos electrones, figuran el neutrino v y antineutrino v. Es de notar que ambas están desprovistas de carga y tienen pequeñísima masa, por lo que parece debieran confundirse en una sola (como ocurre con el fotón y, partícula del campo electromagnético), aunque cabía la posibilidad de admitir que giran en sentido contrario; después de varias teorías hoy se considera el antineutrino como la partícula neutra emitida en la desintegración (i del neutrón, de acuerdo con la reacción nuclear (Pauli):

n->p+e-+F.

La del protón da el neutrino v p->n+e++v.

En la parte correspondiente de la tabla se indican los momentos de rotación (spin) de las partículas en unidades h/2ir (h, constante de Planck); estos momentos, según predice la Mecánica cuántica, deben ser múltiplos de 1/2, lo que resulta estar en excelente acuerdo con la experiencia.

Tanto el neutrino como el antineutrino poseen un gran poder de penetración y, por eso, estas partículas pasaron inadvertidas durante largo tiempo; el neutrino atraviesa libremente nuestro planeta, el Sol y las estrellas. Por fin, en 1959 Reines y Cowan consiguieron observar el antineutrino, emitido en cantidades fabulosas por un potente manantial de estas partículas "incapturables", es decir, por un reactor nuclear de una potencia de 300.000 Kw; éste emitía unos 1019 antineutrinos por segundo, y, a 10 m. de distancia del propio reactor, el flujo de aquellas partículas por segundo a través de 1 cmz era del orden de 1013.

Análogamente al descubrimiento del positrón, era 16gico admitir la existencia, conjuntamente con la de los nucleones (protones y neutrones), la de sus a. (antiprotones y antineutrones). Los antiprotones deben -distinguirse de los protones por el signo de su carga eléctrica, y los antineutrones de los neutrones por el de su momento magnético; recordemos que en los neutrones, su momento magnético es entiparalelo al spin, y que por esto ha de tener signo negativo; en el antineutrón dichos momentos deben ser paralelos. Pero el signo de la carga no constituye la principal característica distintiva entre protón y antiprotón, puesto que en la teoría de los nucleones no son las fuerzas electromagnéticas las que desempeñan el papel fundamental, sino las nucleares, de corto alcance.

Segré, Chamberlain y sus colaboradores lograron el descubrimiento de los antinucleones, poco tiempo después de terminada la construcción en Berkeley (EE. UU.) del potente acelerador de partículas denominado bevatrón, de 6 GeV (1 GeV=109 eV) de potencia. El mérito de este descubrimiento consiste en que la energía de los nucleones y antinucleones en réposo (eran obtenidos conjuntamente) alcanza ya unos 2 GeV. Cálculos muy precisos demuestran que la probabilidad de producción de un par nucleón-antinucleón empieza a manifestarse sólo cuando inciden en el "blanco" bombardeando protones con energía no inferior a los 6 GeV.

Leyes de conservación. Para caracterizar la diferencia fundamental entre nucleón y antinucleón se vio la conveniencia de introducir (además de los consabidos distintivos de carga, masa, spin, duración de vida, etc.) el número bariónico B; para los nucleones B=+1, para los antinucleones B=-1 y para los leptones (partículas ligeras) B=O. A este respecto haremos notar que la carga eléctrica, en la teoría de las partículas elementales, desempeña un doble papel, a saber: primeramente determina la magnitud de las interacciones coulombianas y, en segundo lugar, especifica que en todos los procesos relacionados con la producción y aniquilación de partículas elementales, la carga eléctrica debe permanecer invariable, lo que constituye uno de los fundamentales principios de conservación en que se apoyan la casi totalidad de las diversas ramas de la Física.

En la teoría de las partículas elementales, la segunda de estas dos características de la carga eléctrica es, sin duda, la más interesante; para el desarrollo de la misma puede elegirse como unidad la carga elemental eo. Con este convenio, para el electrón y el antiprotón será Q=-1, para el positrón y el protón Q=+1 y, finalmente, para el neutrón y antineutrón Q=0.

En todas las reacciones debe, pues, cumplirse la ley de la conservación de la carga eléctrica, que abreviadamente se escribe Y.Q=O; ello equivale a decir que al producirse un electrón, simultáneamente siempre aparece un positrón, así como conjuntamente con el protón se produce el antiprotón. Claro que este principio de conservación de la carga es insuficiente, pues no permite, p. ej., la producción de dos neutrones y, en general, de dos partículas con la misma carga.

En la producción de nucleones todavía es aplicable una segunda ley de -conservación: la - del número bariónico B, que se escribe JB--’’const. Este principio es todavía más importante en teoría nucleónica, ya que en el choque entre protón y neutrón no es posible su transformación en partículas más ligeras (p. ej., en el pión positivo ir-¡- y el neutro ir0). Sin embargo, teniendo en cuenta solamente el principio de la conservación de la carga, tal transformación es completamente posible. De la conservación del número bariónico se deduce que los nucleones son partículas estables y sólo por choque con antinucleones pueden transformarse en partículas más ligeras; también es imposible la producción simultánea de dos neutrones, pero desde luego pueden obtenerse simultáneamente neutrones con antineutrones, pues se cumple el principio de conservación del número bariónico.

El número de a. descubiertas hasta la fecha llega casi al medio centenar, y seguramente seguirán apareciendo otras al aumentar la energía de los futuros aceleradores; es imposible dar cuenta en este lugar de los principales hitos que marcan el descubrimiento de partículas, insospechadas no sólo por sus grandes masas (más de mil veces la del electrón), sino que por su extraño comportamiento se las conoce por extrañas.

El neutrino cósmico. Finalizamos con una alusión al papel que juega el neutrino cósmico. Como resultado final de las reacciones termonucleares que tienen lugar en el Sol se forman neutrinos y no antineutrinos, puesto que en dichas reacciones (ciclos del hidrógeno, de Bethe, etc.) cuatro protones se "fusionan" (v. FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR) en helio y el número de neutrinos formados equivale a determinado porcentaje (una quinta parte) de la energía radiada por el Sol. Por consiguiente, el análisis neutrínico, no sólo del Sol, sino de los cuerpos cósmicos, ha adquirido actualmente una importancia enorme. Hasta ahora, los conocimientos que poseemos sobre el Sol habían sido obtenidos principalmente investigando su espectro luminoso, el flujo de partículas cósmicas y sus recientemente descubiertas emisiones radioeléctricas. Todo ello permite solamente investigar las propiedades de las envolturas solares.

Puesto que los neutrinos atraviesan el Sol libremente, los que inciden en la Tierra también deben proceder en último término de las mentadas reacciones termonucleares (v. REACTORES NUCLEARES) en el interior del Sol, p. ej., 4p -> He2+2e++2v. Se admite que, por término medio, inciden sobre eada centímetro cuadrado y segundo unos 1010 de aquellas partículas, es decir, unas mil veces menos que las que chocaban contra igual área en los experimentos de Reines y Cowan frente al reactor nuclear. Como el hidrógeno sólo absorbe antineutrinos, había que recurrir a otras sustancias para capturar los neutrinos, decidiéndose finalmente por un "blanco" constituido por algunas decenas de toneladas del relativamente barato líquido tetracloruro de carbono. En él la absorción de los neutrinos se verifica según la reacción v -I- C137 _> c- -h Ar37.

Actualmente, junto al renombrado acelerador de protones soviético de Dubna, se tienen preparadas las instalaciones para la captación de neutrinos solares. La principal dificultad con que se tropieza en estas experiencias es el tener que registrar las diversas etapas que implica la observación de los neutrinos; para conseguirlo es necesario proceder a la instalación de dispositivos todavía más complicados y precisos que los empleados primitivamente por Reines y Cowan. La Astrofísica neutrínica tiene, pues, un brillante porvenir, ya que estas tan penetrantes partículas constituyen un testimonio único de la génesis de las estrellas y de la Vía Láctea. V. t.: ÁTOMO;FÍSICA ATÓMICA;FÍSICA NUCLEAR;FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR; NÚCLEO; PARTÍCULAS ELEMENTALES.

J. BALTÁ ELÍAS.

BIBL.: J. CATALÁ DE ALEMANY, Física General, Valencia 1961, 891 S.; CHELA NING YANG, Elementary Particles, Princeton 1962; A. A. SOKOLOw, Elementar-teilchen, Berlín 1965.