Esta es una muy buena pregunta y la respuesta requiere una comprensión más profunda de qué es la antimateria y qué es la masa. Solo para agitar un poco las cosas, hay partículas como el neutrón o el mesón [math] K ^ 0 [/ math], o kaon, que no tienen carga pero tienen sus propias partículas. Luego está el fotón y el bosón Z, que son sus propias antipartículas. Sabemos que algo es una antipartícula porque, cuando se encuentra con su partícula, se aniquilan entre sí y se convierten en energía pura, es decir, fotones.
Es cierto que las antipartículas tienen las cargas opuestas a las partículas, pero hay más tipos de carga que solo la carga eléctrica.
Los físicos llaman “cargar” cualquier cantidad conservada discreta (también hay cantidades conservadas continuas como energía, momento y momento angular). Si comienza un experimento aislado con una carga eléctrica positiva neta, siempre terminará con la misma carga eléctrica positiva neta, sin importar lo que haga. Lo mismo es cierto con el color, la extrañeza, la belleza, el fondo, el topness y otras cargas exóticas. Por lo tanto, una antipartícula debe tener todas las cargas invertidas en comparación con la partícula. Solo entonces puede un estado inicial con una partícula y una antipartícula convertirse en un estado con energía pura y sin carga de ningún tipo.
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Sin embargo, debe comprender que la física no nos dice cuál de los dos tipos de partículas que pueden aniquilarse entre sí debería llamarse partícula y cuál debería llamarse antipartícula. Hemos decidido llamar electrón, en lugar de positrón, una partícula; los quarks [matemática] u [/ matemática] y [matemática] d [/ matemática], en lugar de sus contrapartes, [matemática] \ bar {u} [/ matemática] y [matemática] \ bar {d} [/ matemática] partículas solo porque son más abundantes en nuestro universo. Con partículas que no ocurren naturalmente a nuestro alrededor, es una cuestión de convención. Con los bosones [math] W ^ + [/ math] y [math] W ^ – [/ math], ni siquiera nos molestamos en asignar la etiqueta anti. Simplemente decimos que son ani entre sí.
La pregunta de por qué un tipo de materia es más abundante que otra es una pregunta separada y muy interesante.
Ahora para la misa. Hay dos cosas llamadas “masa”. Uno describe cuánto acelera una partícula cuando la empujas. Se llama la masa inercial. El otro describe cómo interactúa la partícula con el campo gravitacional – masa gravitacional. La relatividad general de Einstein se basa en el supuesto de que estos dos son iguales. Entonces, si una antipartícula tuviera una masa inercial negativa, también tendría una masa gravitacional negativa.
La masa se puede convertir en energía: [matemáticas] E = mc ^ 2 [/ matemáticas]. Entonces, la masa no es una cantidad conservada, no es un cargo. Por lo tanto, una antipartícula no tiene que tener masa negativa para aniquilar una partícula. Las masas de ambas partículas pueden convertirse en la energía de fotones (sin masa) sin romper ninguna ley de la física.
El verdadero problema con la masa negativa es que hace que la energía cinética sea negativa: [matemáticas] E_k = \ frac {mv ^ 2} {2} [/ matemáticas]. Entonces, una partícula de masa negativa siempre podría disminuir su energía emitiendo un fotón y acelerando (en la dirección del fotón emitido, porque su impulso también es negativo). Tales partículas seguirían cayendo en estados de energía cada vez más bajos para siempre.
Curiosamente, se encontró un problema similar cuando se propuso un modelo relativista para fermiones: había estados de energía negativos que bajaban hasta el infinito negativo. Dirac propuso que todos esos estados de energía negativa estuvieran llenos del mar (invisible) de fermiones. Solo puede haber un fermión que ocupe un estado particular, por lo que funcionó. Dirac incluso predijo que se podría crear un agujero en este mar de fermiones de energía negativa que se comportaría como, adivina qué, una antipartícula. Y, de hecho, no mucho después se descubrieron los antielectrones (positrones). Como un agujero en el mar de Dirac, el positrón tendrá una masa positiva igual a la masa del electrón.
Desafortunadamente, el mismo truco no funcionaría con los bosones, porque se les permite aglomerarse en los estados. Entonces, un bosón de masa negativa siempre sería libre de caer en energía, sin importar cuántos bosones ya estén allí en el mismo estado. Y seguirían irradiando energía para siempre.
La conclusión es que no hay razón para que las antipartículas tengan masa negativa, y no encajarían en nuestra comprensión actual de la física de partículas. Pero todos se sentirían mucho mejor si pudiéramos establecer este hecho experimentalmente (tal vez incluso una oportunidad Nobel).