Primero: ¿cómo puede haber un antineutrón cuando el neutrón no tiene carga eléctrica?
Buena pregunta: parece haber, para una muy buena aproximación, otra carga conservada, llamada número bariónico. El neutrón tiene carga eléctrica cero y barión número uno, el antineutrón tiene carga eléctrica cero, pero número bariónico menos uno.
Las cargas conservadas están directamente relacionadas con la distinción entre partículas y antipartículas. Son los cargos los que hacen la distinción. Para obtener la antipartícula de la partícula, invierte los signos de todas las cargas.
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Segundo: hay tres importantes simetrías discretas y aproximadas de la naturaleza, que son consistentes con la relatividad y la mecánica cuántica.
Estos se llaman invariancia de conjugación de carga C, invariancia de inversión de tiempo T e invariancia de paridad P.
Básicamente, cada simetría es doble: es como si transformaras un estado en otro multiplicándolo por [math] \ pm 1 [/ math]. Es más complicado que eso, pero quieres la explicación del laico, así que esa es una buena manera de comenzar a pensar en ello.
Si las teorías de campo cuántico relativistas son verdaderas y satisfacen ciertas propiedades matemáticas básicas, entonces puede demostrarse que el producto de C, P y T, o CPT, debe ser una cantidad conservada. Esto se llama CPT o, a veces, el teorema de PCT. Entre otras cosas, implica que las partículas y antipartículas deben tener exactamente la misma masa.
La simetría de conservación de carga toma todas las cargas de una partícula, estos son los números cuánticos conservados de la partícula distintos del momento y la energía y el momento angular y los invierte en signo.
La simetría de inversión de tiempo es como suena: invierte la dirección del tiempo.
La invariancia de paridad implica que si todo en el mundo se invierte a través del origen de coordenadas, de modo que algo que está en la posición (x, y, z) se envía a la posición (-x, -y, -z), entonces la física no No cambies. También es equivalente a decir que todas las interacciones en la naturaleza son simétricas bajo reflexión en un espejo: que hay una simetría izquierda-derecha.
A principios del siglo XX, se creía ampliamente que P, C y T están todos conservados en la naturaleza, por todas las interacciones básicas entre partículas. Esta creencia había existido durante mucho tiempo, pero los descubrimientos que se hicieron a mediados del siglo XIX sobre los isómeros ópticos adoptaron por primera vez una forma aguda. Resulta que las moléculas pueden venir en diferentes formas, que tienen la misma estructura química, pero que en realidad son imágenes especulares entre sí. Un isómero gira la luz polarizada plana en un sentido, mientras que el otro gira la luz polarizada plana en el sentido opuesto. Los isómeros zurdos y diestros de una molécula típicamente se producían en cantidades iguales en las reacciones químicas, pero en los sistemas biológicos parecía haber una clara preferencia por el isómero zurdo o derecho dependiendo de la molécula particular en cuestión. . Solo se usó una forma en biología.
También hubo pruebas sólidas de la conservación de P en las interacciones atómicas a fines de la década de 1920. Todas las transiciones atómicas obedecen una regla de selección: si la función de onda del estado atómico inicial es impar bajo paridad, y si decae al emitir un solo fotón, la función de onda del estado final es siempre par.
Esto se llamó la regla de Laporte, y podría explicarse si se asigna una paridad de -1 a las funciones de onda que son impares, y una paridad de +1 a las funciones de onda que son pares. Si además al fotón se le asignó una paridad intrínseca de -1, entonces podría explicar esto de la siguiente manera: el estado inicial tenía una paridad negativa, pero el estado final tenía un fotón con paridad -1 y un átomo con paridad +1. El producto de +1 y -1 es -1. Entonces, la regla de Laporte era equivalente a la afirmación de que la paridad de los estados iniciales y finales era en realidad la misma, es decir, que la paridad se conservaba en las transiciones atómicas.
Eugene Wigner demostró que esta conservación de la paridad era en realidad una consecuencia directa de las ecuaciones de Maxwell, describiendo los campos electromagnéticos.
Ahora, a fines de la década de 1940, Powell realizó descubrimientos muy interesantes en fotografías de la cámara de nubes de interacciones de rayos cósmicos. Primero, descubrió el pi-mesón, que Yukawa había propuesto anteriormente para explicar las fuertes interacciones, las interacciones que mantenían unidos los núcleos atómicos.
Además, había una partícula pesada e inestable, una partícula extraña, porque descubrió que tenía una larga vida útil, a pesar de su gran masa.
Inicialmente se le llamó el mesón [math] \ tau [/ math], y las interacciones débiles se desintegraron en dos piones.
Hubo otra partícula extraña llamada mesón [math] \ theta [/ math] que también fue descubierta por Powell en las cámaras de nubes, que tenía exactamente la misma masa que el mesón [math] \ tau [/ math] hasta donde nadie podría medir y también la misma vida útil, pero que decayó por las interacciones débiles en tres piones en lugar de en dos piones. Aparte de sus modos de descomposición, las dos partículas parecían idénticas en todos los aspectos. Pero si fueran la misma partícula, tendrían que tener la misma paridad intrínseca.
Por otro lado, Dalitz había demostrado a principios de la década de 1950 que un estado de dos piones tenía paridad positiva, pero un estado de tres piones tenía paridad negativa, si la función de onda espacial era la más simple posible.
Para algunas personas lo suficientemente inteligentes, esto sugirió que P, la paridad, podría ser una simetría rota, porque si dos partículas tenían exactamente la misma masa pero se descomponían de manera diferente, entonces deberían ser diferentes de alguna manera, y si es así, entonces una explicación natural de por qué uno se descompuso en tres piones, pero el otro en dos, era que tenían que tener paridades diferentes.
Pero nadie en ese momento creía que la paridad estaba rota, y si la paridad se conservaba, entonces [math] \ tau [/ math] y [math] \ theta [/ math] debían tener paridades diferentes, como Dalitz había demostrado. Por lo tanto, no podrían ser la misma partícula, aunque posiblemente podrían ser antipartículas.
Pero si la [matemática] \ tau [/ matemática] y la [matemática] \ theta [/ matemática] eran en realidad la misma partícula, entonces esto sugirió que las interacciones débiles podrían romper la paridad en la naturaleza. Nadie creía que esta fuera la resolución al principio. Pero ocupó muchos teóricos y experimentadores durante mucho tiempo.
Este enigma se llamó rompecabezas de [matemáticas] \ tau – \ theta [/ matemáticas].
Los mesones [math] \ tau [/ math] y [math] \ theta [/ math] fueron luego renombrados al sistema [math] K_0 – \ bar K_0 [/ math]. Son antipartículas entre sí, de acuerdo con sus paridades C.
Ahora, muchos teóricos y experimentadores jugaron un papel en la resolución de este rompecabezas, hay muchos para mencionar en realidad. Pero fue uno de los principales temas candentes de la década de 1950, en la física de partículas.
Finalmente, TD Lee y CN Yang sugirieron una explicación: la teoría aproximada de Fermi sobre las interacciones débiles, que explicaba la desintegración beta, debe estar equivocada. La debilidad de la interacción podría explicar por qué la descomposición del theta fue muy lenta.
Dijeron que la interacción débil podría violar la simetría de paridad, y propusieron un experimento específico para medir esta violación de la simetría de paridad.
El experimento se realizó a principios de 1957 y demostró que, de hecho, la paridad, P, se rompió por las interacciones débiles.
Al mismo tiempo, se realizó un experimento diferente, que confirmó el primero.
Entonces se supo que P estaba roto. Esto fue un gran shock para la comunidad física.
¿Y qué hay de los demás?
CPT todavía tenía que ser conservado, en la teoría cuántica de campos. ¿Pero estaban todos rotos? ¿O todavía se conservaron algunos pares? Lev Landau argumentó que la PC aún podría conservarse, y que la PC era lo que realmente distinguía las partículas de las antipartículas.
Durante mucho tiempo, la mayoría de la gente imaginó que, aunque P estaba roto, todavía debe ser cierto que CP se conservó. Simplemente no había ejemplos conocidos en los que se rompiera el PC
CP simplemente significa el producto de la C de una partícula con la P de la partícula. Si C es +1 y P es -1 o viceversa, entonces la partícula es CP negativa, de lo contrario es CP positiva.
Y si se conserva el CP, entonces una disminución no puede cambiar el CP total del estado final. Lo que a su vez implica que algunas caries nunca deberían ocurrir.
Ahora la pregunta es, una vez que hemos determinado las desintegraciones de todas las partículas y asignado valores C y P a todas, ¿encontramos alguna desintegración o algún fenómeno que viole la simetría CP?
La respuesta resulta ser sí.
En estudios experimentales muy cuidadosos del sistema [matemático] K_0- \ bar K_0 [/ matemático], realizado por Fitch y Cronin en BNL, utilizando el acelerador de energía más alto del mundo en ese momento, el AGS, se demostró que en realidad dos estados presentes que oscilaban entre sí.
Y esto significaba que había alguna interacción que estaba violando el PC y que la [matemática] K_0 [/ matemática] podía transformarse en su antipartícula, la [matemática] \ bar K_0 [/ matemática], por esta interacción. Una de estas partículas tuvo una larga vida útil y se descompuso en dos piones, y se llamó [math] K_L [/ math], la otra tuvo una vida corta, se descompuso en tres piones y se llamó [math] K_S [/ matemáticas].
Entonces, por fin se explicó la verdadera naturaleza de las partículas [matemáticas] \ tau [/ matemáticas] y [matemáticas] \ theta [/ matemáticas] que Powell había observado originalmente en 1949, en realidad eran las [matemáticas] K_L [/ matemáticas] y la [matemática] K_S [/ matemática], pero debido a que se mezclaron entre sí, aparecieron en los experimentos de la cámara de nubes para tener la misma vida útil.
Pero la partícula y la antipartícula en el sistema [math] K_0 – \ bar K_0 [/ math] son en realidad mezclas de [math] K_S [/ math] y [math] K_L [/ math], y viceversa. Por lo tanto, existe una asimetría entre partículas y antipartículas en la naturaleza, y hay algunas, aunque aparentemente interacciones extremadamente débiles, que permiten que las partículas se transformen en antipartículas.
Por lo tanto, la violación de CP permite que las antipartículas se transformen en partículas, y viceversa, lo que posiblemente favorezca a una sobre la otra en el universo temprano.
Pero resulta que la violación de CP en el sistema [matemática] K_0 – \ bar K_0 [/ matemática] es demasiado pequeña para explicar la asimetría de materia-antimateria observada en el universo, y todavía no hay una explicación teórica básica de CP violación en absoluto, ni de la asimetría materia-antimateria en sí misma, aunque varios modelos, como la supersimetría, podrían permitir que suceda.
