Cómo la Producción de Pares y la Aniquilación de Pares Definen las Partículas Ligeras

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Por Steven Holzner

Al observar tanto la producción de pares como su aniquilación, los físicos del siglo XX pudieron demostrar que la luz tiene las características de una partícula. Este proceso de descubrimiento comenzó en 1928, cuando el físico Paul Dirac postuló la existencia de un antielectrón con carga positiva, el positrón. Lo hizo llevando el campo en evolución de la física cuántica a un nuevo territorio, combinando la relatividad con la mecánica cuántica para crear la mecánica cuántica relativista – y esa fue la teoría que predijo, a través de un intercambio de signos más/menos – la existencia del positrón.

Fue una predicción audaz – una antipartícula del electrón? Pero sólo cuatro años después, los físicos vieron el positrón. La física de partículas elementales de alta potencia de hoy en día tiene todo tipo de sincrotrones y otros aceleradores de partículas para crear todas las partículas elementales que necesitan, pero a principios del siglo XX, esto no siempre fue así.

En aquellos días, los físicos dependían de los rayos cósmicos – aquellas partículas y fotones de alta potencia (llamados rayos gamma) que golpean la Tierra desde el espacio exterior – como su fuente de partículas de alta energía. Utilizaron cámaras de nubes, que estaban llenas de vapor de hielo seco, para ver los rastros que dejaban esas partículas. Ponen sus cámaras en campos magnéticos para poder medir el momento en que las partículas se curvan en esos campos.

En 1932, un físico notó un hecho sorprendente. Un par de partículas, cargadas opuestas (que podían determinarse por la forma en que se curvaban en el campo magnético) aparecieron de la nada. Ningún rastro de partículas llevó al origen de las dos partículas que aparecieron. Eso fue producción en pares – la conversión de un fotón de alta potencia en un electrón y un positrón, lo que puede ocurrir cuando el fotón pasa cerca de un núcleo atómico pesado.

Así que, experimentalmente, los físicos habían visto cómo un fotón se convertía en un par de partículas. Wow. Como si todo el mundo necesitara más evidencia de la naturaleza de las partículas de la luz. Más tarde, los investigadores también vieron la aniquilación de la pareja: la conversión de un electrón y un positrón en luz pura.

La producción y aniquilación de parejas resultó estar gobernada por la recién introducida teoría de la relatividad de Einstein – en particular, su fórmula más famosa, E = mc2, que da el equivalente de energía pura de la masa. En este punto, había una abundancia de evidencia de los aspectos de la luz en forma de partículas.

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