¿Se crean partículas y antipartículas exactamente al mismo tiempo en la mecánica cuántica?

La respuesta a este tipo de preguntas es casi siempre “sí, supongo que es posible”. Lo interesante es pensar en lo que implica la idea.

Si hay una brecha entre el momento en que se crean las partículas y las antipartículas, eso nos dice de inmediato una de dos cosas. En escalas de tiempo suficientemente cortas:
1. La carga eléctrica no se conserva.
o, si no (1) entonces
2. La física no está descrita por una teoría cuántica relativista especial.

Está bastante claro por qué (1) es una posibilidad: hay una brecha en la que hemos agregado una partícula con carga -1 pero no una partícula con +1 para cancelarla.

La posibilidad (2) es más sutil. Básicamente, es imposible construir una teoría de la mecánica cuántica compatible con la relatividad especial que conserve la carga eléctrica sin usar antipartículas †. El tipo de teorías que puedes construir te dice que las partículas y las antipartículas se crean en el mismo momento. Entonces, si encuentra que la carga se conserva pero tiene una brecha, entonces hay algo realmente profundo que tenemos que cambiar.

Hay muchas teorías diferentes a las que la gente podría recurrir si resulta ser posible (2). No sé mucho sobre ninguno de ellos, así que no intentaré imaginarlos aquí.

La posibilidad (1) es un poco más directa. Lo que tenemos es una cantidad, carga eléctrica, que solo está “conservada”. La naturaleza ya nos ha dado un ejemplo de tal situación en la fuerza débil y el isospin (interacción débil). La interacción débil conserva la isospin por completo, pero la interacción fuerte no la conserva. En contextos donde la fuerza fuerte es dominante, isospin no se conserva, pero cuando la fuerza débil domina se conserva.

Todas las interacciones que conocemos hasta ahora conservan la carga. Si comenzamos a ver la no conservación de la carga, concluiríamos que hemos alcanzado un régimen en el que ha entrado en juego un nuevo tipo de interacción.

† Las antipartículas tienen que tener la misma masa que sus respectivas partículas. Puede imaginarse que se está creando un electrón al mismo tiempo que un protón para conservar la carga, pero esto todavía violaría la relatividad especial cuántica porque las masas no coinciden.

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Si miramos los diagramas de Feynman, un electrón es una partícula que se mueve hacia adelante en el tiempo y un positrón es una partícula que se mueve hacia atrás en el tiempo. Cuando miras al espejo, a cierta distancia, encuentras tu cara en el espejo. Existía como tan pronto como estuviste allí. Mirando la Ecuación de Dirac, se crean energías positivas junto con energías negativas para casos especiales que dan lugar al Mar de Dirac. Considera un positrón en algún futuro y un electrón en el presente. Cuando un electrón se mueve, relativamente un positrón es también se mueven, ambos tienen diferentes direcciones y chocan dando lugar a energía. Entonces, de estas observaciones, concluyo, ambos existen simultáneamente.

Patrick Hochstenbach

Puede haber una diferencia de tiempo entre ellos si es lo suficientemente pequeño como para caer bajo el principio de incertidumbre. La energía es la masa de la partícula y el tiempo es el tiempo durante el cual la energía (masa) no se puede explicar.

∆E∆t ≤ h / 4π

Patrick Hochstenbach

Hola Roman, estoy de acuerdo contigo en el caso de los fermiones, pero no cuando se trata de bosones. Sin embargo, mi opinión no es convencional.

Considero que la antimateria es una materia que tiene una simetría de espejo con respecto a otra (son materias idénticas pero colocadas en lados opuestos). Si consideramos las partículas como campos, un campo colocado en el lado derecho de un eje central de simetría será la antimateria de un campo idéntico (con el mismo volumen y densidad) colocado en el lado izquierdo de ese eje central. Si estos campos antisimétricos existieran al mismo tiempo, no obedecerían el principio de exclusión de Pauli y serían nombrados “bosones”. Si existieran en diferentes momentos sucesivos, seguirían el principio de exclusión de Pauli y serían fermiones. En el caso de los bosones, la materia y la antimateria se crearían al mismo tiempo cuando los campos que crean las partículas subatómicas se cruzan.

Saludos cordiales