Incluso restringiendo la discusión a la física , los científicos no tienen una definición única de qué es la materia . En la física de partículas actualmente conocida , resumida en el modelo estándar de partículas elementales e interacciones, es posible distinguir en sentido absoluto partículas de materia y partículas de antimateria . Esto es particularmente fácil para aquellas partículas que llevan carga eléctrica , como electrones , 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 de quarks en cualquier reacción perturbativa entre partículas. Esta observación es consistente 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. Este último caso se da si los neutrinos son partículas de Majorana , siendo a la vez materia y antimateria, según la definición dada justo arriba. [1]
En un sentido más amplio, se puede utilizar la palabra materia simplemente para referirse a los fermiones . En este sentido, se identifican previamente las partículas de materia y antimateria (como un electrón y un positrón ). El proceso inverso a la aniquilación de partículas puede denominarse 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 puede describirse como la conversión de partículas de luz (es decir, fotones) en una o más partículas masivas [ cita requerida ] . El caso más común y mejor estudiado es aquel en el que dos fotones se convierten en un par electrón - positrón .
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 en presencia de otra partícula (otro bosón o incluso un fermión) que puede compartir el impulso del fotón primario. Por tanto, se puede crear materia a partir de dos fotones.
La ley de conservación de la energía establece una energía fotónica mínima necesaria para la creación de un par de fermiones: este umbral de energía 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 al menos 2 m e c 2 = 2 × 0,511 MeV =1,022 MeV ( m e es la masa de un electrón y c es la velocidad de la luz en el vacío), un valor energético que corresponde a los fotones blandos de rayos gamma . La creación de un par mucho más masivo, como un protón y un antiprotón , requiere fotones con una energía de más de1,88 GeV (fotones duros de rayos gamma).
Los primeros cálculos publicados sobre 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 ultrarelativistas , porque esos fotones se irradian en conos estrechos a lo largo de la dirección del movimiento de la partícula original, lo que aumenta considerablemente 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 a partir de 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 de forma teórica como experimental (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 (mediante producción de pares) o mediante desintegración de la partícula intermedia (como una W- bosón desintegrándose para formar un electrón y un antineutrino electrónico). [ cita necesaria ]
Como se muestra arriba, para producir materia bariónica ordinaria a partir de un gas de fotones , este gas no sólo 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 bariónica 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 primitivo , los fotones sin masa y los fermiones masivos se interconvertían libremente. A medida que el gas fotónico se expandiera y enfriara, algunos fermiones quedarían (en cantidades extremadamente pequeñas ~10 −10 ) porque los fotones de baja energía ya no podrían separarlos. Esos fermiones sobrantes se habrían convertido en la materia que vemos hoy en el universo que nos rodea.