Rayos cósmicos, materia y antimateria.

A partir de la década de 1930 se realizaron muchos descubrimientos de nuevas partículas, más que nada por el desarrollo y construcción de aceleradores cada vez más potentes. Sin embargo, antes de la generación de los aceleradores había una fuente natural de partículas: los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son partículas muy energéticas, mayormente protones o núcleos de átomos (es decir, partículas muy estables) que provienen de diferentes regiones del espacio. 

Cuando una de estas partículas llega a las capas más altas de la atmósfera, interactúa con las partículas componentes de los átomos de los gases atmosféricos, produciendo con cada interacción una lluvia de nuevas partículas. Las energías de los rayos cósmicos pueden ser extremadamente grandes, llegando hasta los 1020 eV, mucho mayores que las que se pueden obtener en los aceleradores más potentes de la Tierra (unos 1012 eV). Estas energías tan grandes son suficientes para producir un gran número de partículas, lo cual constituye una fuente de información muy importante para los físicos.

El estudio de los rayos cósmicos comenzó en la década de 1910, gracias a los descubrimientos de Victor Hess. Inicialmente la detección se efectuaba con electroscopios, de modo que los descubrimientos efectuados durante las primeras décadas de estudio fueron poco precisos. Recién hacia fines de la década de 1920 se desarrollaron equipos de detección más sofisticados, como el contador Geiger-Müller o la cámara de Wilson, que permitieron develar características como la masa y la carga de las partículas. Más tarde, además de modificaciones y refinamientos de las cámaras de niebla, se desarrollaron otros métodos de detección, como las emulsiones fotográficas. Gracias a estos avances fueron descubiertas muchas partículas subatómicas en el estudio de rayos cósmicos antes de ser observadas en laboratorios terrestres. Aquí se mencionan sólo algunos ejemplos. 

El positrón 

En 1932, tras una serie de mediciones realizadas en torno a rayos cósmicos, C. Anderson logró registrar la traza de una partícula que presentaba las mismas características que la de un electrón, pero con carga positiva. En el experimento, la desviación en la trayectoria de partículas cargadas se producía mediante un campo magnético. En este caso, cuando la partícula atraviesa la placa de plomo pierde parte de su energía, lo que hace que el radio de la trayectoria disminuya. Conociendo el sentido del campo se puede conocer el signo de la carga de la partícula. Así fue como se identificó el signo de la carga de esta partícula, a la que se le dio el nombre de positrón, haciendo referencia a su carga positiva. El descubrimiento del positrón constituyó la primera evidencia experimental de la existencia de la antimateria.

El muon

En 1937, el mismo Anderson, junto con S. H. Neddermeyer, detectaron una nueva partícula similar al electrón pero con una masa unas 200 veces mayor, a la que se denotó con la letra griega µ, por lo que se hizo referencia a estas partículas como muones. En un principio se creyó que esta partícula sería el mediador de Yukawa, dado que tenía una masa similar a la misma, pero tras mediciones posteriores se comprobó que no experimentaba la interacción fuerte, de modo que no podría ser la partícula mediadora de esta fuerza. Hoy sabemos que el muon es una partícula elemental que forma parte de la familia de los leptones. Existen los muones de carga positiva y negativa, ambas iguales a la del electrón. 

Mesones de Yukawa

Una década más tarde, un grupo de investigadores dirigidos por C. Powell publicaron una serie de resultados de observaciones de emulsiones fotográficas dispuestas en altas montañas. Además de observar trazas de muones, se observaron otros mesones, más masivos que los muones. Estos nuevos mesones podían decaer en un muon y otra partícula neutra, o bien, interactuar con otro núcleo de la emulsión. El análisis de las trazas indicaba que estos mesones interacruaban fuertemente con los núcleos, lo cual hizo pensar que serían los mesones de Yukawa. A estas nuevas partículas se las bautizó con la letra π, haciendo referencia a ellas como mesones π, o simplemente piones. Se descubrió que los piones se presentan en tres formas: piones positivos, π+, negativos, π- y neutros, π0. La masa de los piones cargados fue determinada en 273 veces la masa del electrón, mientras que la del pion neutro, en 265 veces. También, la vida media de los piones cargados resultó ser de 10-8 segundos, mientras que los piones neutros decaen en 10-16 segundos.

Muchas otras partículas fueron detectadas en experimentos con rayos cósmicos, tales como las partículas Λ o los kaones (K+, K-, K0), entre otras. Actualmente la investigación en rayos cósmicos es un área de importante desarrollo en física de partículas. En la zona de Malargüe, provincia de Mendoza, se encuentra el laboratorio de rayos cósmicos más grande del mundo, el Observatorio Pierre Auger. Uno de los principales objetivos de este proyecto es la reconstrucción de las lluvias de partículas producidas por los rayos cósmicos con el fin de determinar su procedencia y composición.

Antimateria 

Como ya se mencionó, el descubrimiento del positrón constituyó la primera evidencia experimental de la antimateria. Con el correr del tiempo, se observó que todas las partículas que se descubrían se presentaban en sus variantes positiva y negativa (con excepción de las neutras). Pero ¿a qué llamamos antimateria? 

En 1928, P. Dirac, un joven y brillante físico inglés, se dio a la tarea de reconciliar la mecánica cuántica de Schrödinger con la relatividad de Einstein. En la resolución del problema Dirac se encontró con la presencia de soluciones con energías negativas. Si bien la matemática implicada en la resolución del problema es algo complicada, el punto se puede ilustrar como sigue. La energía total de una partícula relativista puede escribirse en la forma

E2 = m2c4 + p2c2, 

o bien,

E = ± (m2c4 + p2c2)1/2,  

lo que implica valores de energía tanto positivos como negativos.

Ahora bien, si existiese la posibilidad de que los electrones alcancen energías negativas, en virtud de la tendencia natural de todo sistema aislado a dirigirse hacia el estado de menor energía, todos los electrones tenderían a dirigirse hacia estos estados, con la consecuente emisión de radiación; pero esto no es lo que se observa. Por otra parte, estos electrones buscarían energías cada vez más negativas, debido a que el efecto no está acotado por debajo (esto es, no se plantea un valor mínimo de energía). 

La manera de interpretar estos estados de energía negativa por parte de Dirac fue considerar que estos estados sí existirían, pero que estarían todos «llenos», y no podrían ser ocupados por otros electrones en virtud del principio de exclusión de Pauli. Para poder crear un «hueco» se debería aportar la energía necesaria a una de estas partículas como para que salten a un estado de energía positiva. En tal caso, existiría el electrón negativo, de energía positiva, y el hueco, o ausencia de una partícula negativa con energía negativa, correspondiente a una partícula de energía positiva y carga positiva; esta sería la explicación del fenómeno de creación de pares. En forma análoga, la aniquilación se produciría cuando un electrón se encontrase con uno de estos huecos de energía negativa. 

Pero a la hora de medir, no es posible encontrar estos huecos; en realidad lo que detectó C. Anderson, y lo que se puede observar en los laboratorios, fue la traza de una partícula de igual masa que el electrón, de energía positiva y de la misma carga pero positiva. De este modo se introdujo a la escena de la física la idea de antipartícula. Hoy sabemos que para cada partícula existe una antipartícula: en el caso de las partículas con carga eléctrica, sus antipartículas tienen carga opuesta. Para partículas neutras, ellas mismas pueden ser su antipartícula. Como se verá más adelante, existen otras características que cambian entre una partícula y su correspondiente antipartícula. 

Hay otra cuestión interesante relacionada con la idea de antimateria. En la física actual, la simetría desempeña un papel fundamental, de hecho, muchas de las teorías actuales en física de partículas se fundamentan en la existencia de ciertas simetrías para dar cuenta de las interacciones. Sin ir más lejos, la aceptación de que toda partícula posee una antipartícula está fundada en una idea de simetría. Sin embargo, se podría pensar que, de ser iguales las cantidades entre partículas y antipartículas, estas se aniquilarían mutuamente y no quedaría materia en el Universo. Pero, entonces, ¿por qué observamos partículas de materia en nuestro Universo, mientras que la antimateria parece ser una colección de objetos extraños o inusuales? Al parecer, durante el enfriamiento posterior al Big Bang, en la región del Universo en la que nos tocó vivir, se produjo una leve asimetría entre materia y antimateria. Eso implicaría que pueden existir regiones en el Universo donde los cuerpos materiales estén compuestos de lo que llamamos antimateria. Debe tenerse presente que las antipartículas son tan estables como las partículas «ordinarias»; la aniquilación se produce cuando hay un encuentro entre partícula y antipartícula, pero eso no significa que un cuerpo material formado por «antiátomos» sea de por sí inestable. 

Véase también → Breve reseña sobre mecánica relativista