Creación de materia
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Incluso restringiendo la discusión a la física , los científicos no tienen una definición única de lo que es la materia . En la física de partículas actualmente conocida, resumida por el modelo estándar de partículas e interacciones elementales, es posible distinguir en un sentido absoluto partículas de materia y partículas de antimateria . Esto es particularmente fácil para aquellas partículas que llevan carga eléctrica, como electrones o protones o quarks , mientras que la distinción es más sutil en el caso de los neutrinos., partículas elementales fundamentales que no llevan carga eléctrica. En el modelo estándar, no es posible crear una cantidad neta de partículas de materia o, más precisamente, no es posible cambiar el número neto de leptones o quarks en ninguna reacción perturbadora entre partículas. Esta observación es coherente con todas las observaciones existentes.
Sin embargo, procesos similares no se consideran imposibles y se esperan en otros modelos de partículas elementales, que amplían el modelo estándar. Son necesarios en teorías especulativas que pretenden explicar el exceso cósmico de materia sobre antimateria, como la leptogénesis y la bariogénesis . Incluso podrían manifestarse en el laboratorio como desintegración de protones o como creaciones de electrones en la llamada desintegración doble beta sin neutrinos. El último caso ocurre si los neutrinos son partículas de Majorana, siendo al mismo tiempo materia y antimateria, de acuerdo con la definición dada justo arriba. [1]
En un sentido más amplio, se puede usar la palabra materia simplemente para referirse a los fermiones. En este sentido, las partículas de materia y antimateria (como un electrón y un positrón) se identifican a priori. El proceso inverso a la aniquilación de partículas puede llamarse creación de materia ; más precisamente, estamos considerando aquí el proceso obtenido bajo la inversión temporal del proceso de aniquilación. Este proceso también se conoce como producción de pares y se puede describir como la conversión de partículas de luz (es decir, fotones) en una o más partículas masivas [ cita requerida ] . El caso más común y bien estudiado es aquel en el que dos fotones se convierten en un electrón.- par de positrones .
Producción de pares de fotones
Debido a las leyes de conservación del momento , no puede ocurrir la creación de un par de fermiones (partículas de materia) a partir de un solo fotón. Sin embargo, estas leyes permiten la creación de materia cuando está en presencia de otra partícula (otro bosón, o incluso un fermión) que puede compartir el impulso del fotón primario. Por lo tanto, la materia se puede crear a partir de dos fotones.
La ley de conservación de la energía establece una energía fotónica mínima requerida para la creación de un par de fermiones: esta energía umbral debe ser mayor que la energía total en reposo de los fermiones creados. Para crear un par electrón-positrón, la energía total de los fotones, en el marco de reposo, debe ser de al menos 2 m e c 2 = 2 × 0,511 MeV =1.022 MeV ( m e es la masa de un electrón yc es la velocidad de la luz en el vacío), un valor de energía que corresponde a los fotones de rayos gamma suaves . La creación de un par mucho más masivo, como un protón y un antiprotón , requiere fotones con energía de más de1,88 GeV (fotones de rayos gamma duros).
Los primeros cálculos publicados de la tasa de producción de pares e + –e - en colisiones fotón-fotón fueron realizados por Lev Landau en 1934. [2] Se predijo que el proceso de creación de pares e + –e - (a través de colisiones de fotones ) domina en la colisión de partículas cargadas ultrarrelativistas, porque esos fotones se irradian en conos estrechos a lo largo de la dirección de movimiento de la partícula original, lo que aumenta enormemente el flujo de fotones.
En los colisionadores de partículas de alta energía , los eventos de creación de materia han producido una amplia variedad de partículas pesadas exóticas que se precipitan de los chorros de fotones en colisión (ver física de dos fotones ). Actualmente, la física de dos fotones estudia la creación de varios pares de fermiones tanto teórica como experimentalmente (utilizando aceleradores de partículas , duchas de aire , isótopos radiactivos , etc.).
Es posible crear todas las partículas fundamentales en el modelo estándar , incluidos quarks, leptones y bosones utilizando fotones de energías variables por encima de un umbral mínimo, ya sea directamente (por producción de pares) o por desintegración de la partícula intermedia (como un W - bosón decayendo para formar un electrón y un electrón-antineutrino).
Como se muestra arriba, para producir materia bariónica ordinaria a partir de un gas fotónico , este gas no solo debe tener una densidad de fotones muy alta , sino que también debe estar muy caliente: la energía ( temperatura ) de los fotones obviamente debe exceder la energía de la masa en reposo de la masa dada. par de partículas de materia. La temperatura umbral para la producción de electrones es de aproximadamente 10 10 K , 10 13 K para protones y neutrones , etc. Según la teoría del Big Bang , en el universo temprano, los fotones sin masa y los fermiones masivos se convertirían libremente entre sí. A medida que el gas de fotones se expandiera y enfriara, quedarían algunos fermiones (en cantidades extremadamente pequeñas ~ 10-10 ) porque los fotones de baja energía ya no podrían romperlos. Esos fermiones sobrantes se habrían convertido en la materia que vemos hoy en el universo que nos rodea.
Ver también
- Aniquilación
- Energía disponible
- Producción de parejas
- Límite de Schwinger
Referencias
- ^ Dell'Oro, S .; Marcocci, S .; Vissani, F. (2018). "Prueba de creación de materia con desintegración beta doble sin neutrinos". arXiv : 1710,06732 [ hep-ph ].
- ^ Landau, LD; Lifshits, EM (1934). "Producción de electrones y positrones por colisión de dos partículas" . Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion . 6 : 244-257. Zbl 0010.23102 . Archivado desde el original el 24 de marzo de 2012 . Consultado el 11 de septiembre de 2011 .
- Partículas fisicas
