Cuando ocurre la interacción entre partículas libres de suficiente energía se puede dar la creación de nuevas partículas a partir de la relación E = mc2. El proceso de creación siempre produce la misma cantidad de materia y de antimateria.
De modo similar, cuando la materia y la antimateria interaccionan, se aniquilan liberando energía, que usualmente se da en forma de fotones, pero también puede darse produciendo otras partículas y antipartículas.
Pero ¿Por qué ocurre esto? ¿Por qué se da la aniquilación en lugar de la formación de estados ligados, o simple dispersión, o cualquier otra opción? Esto se explica a partir de la teoría cuántica.
Las anteriores son preguntas que se hacen muchos científicos trabajando en el estudio de las partículas que constituyen todo el universo; ¿qué principio físico establece que la materia y la antimateria se debe aniquilar cuando se juntan? La aniquilación de materia y antimateria parece algo inevitable en el universo, pero ¿ocurre en el 100% de los casos? Y cuando las partículas se aniquilan, ¿a qué principio se obedece?
Cuando dos partículas se acercan una a la otra, existe la posibilidad -pero no la certeza- de que entren en interacción. La forma en que se determina la probabilidad de una interacción es midiendo una cantidad llamada “sección transversal”, que es la cantidad efectiva de área que una partícula tiene para ser “golpeada” por otra.
Los protones y los neutrones tienen un tamaño específico de diez elevado a la menos quince metros (10-15 m), alrededor de un femtometro, mientras que los electrones aunque son considerados como puntuales, tienen un radio menor a un atómetro (10-19 m). Estas cantidades se han medido experimentalmente en dispersiones inelásticas.
La sección transversal se puede estimar suponiendo que estas partículas son esferas de radio específicas y solamente calculamos su área multiplicando la constante Pi= 3.1416 por el radio de la partícula al cuadrado. Esto es lo razonable cuando hablamos de partículas clásicas como bolas de billar en las que ellas “rebotan” al chocar una con otra. En el mundo cuántico hay importantes diferencias.
Por ejemplo, la formación de un átomo neutro de hidrógeno requiere de un protón y de un electrón. Para formar un átomo no necesitamos que estas partículas colisionan sino solamente que se acerquen lo suficiente, con una distancia de alrededor de un Angstrom (10-10 m) es suficiente para formar un átomo neutro.
Al acercarse las dos partículas e interaccionar electromagnéticamente los siguientes procesos pueden ocurrir: Un cuanto de radiación, un fotón, es espontáneamente emitido cuando el electrón alcanza un estado ligado con el protón y se forma un átomo excitado.
El electrón del átomo excitado desciende, como en una cascada, en los diferentes niveles energéticos del átomo, emitiendo un fotón en cada salto hasta que llega al estado de mínima energía llamado, estado base.
De este modo se forma un átomo de hidrógeno neutro. El protón y el electrón inicial en lugar de “rebotar” al acercarse uno al otro, formaron un estado ligado.
Al ser tratadas cuánticamente las esferas clásicas semejantes a bolas de billas deben de sustituirse por objetos matemáticos llamados funciones de onda. Desde una perspectiva teórica cuántica podemos calcular la sección transversal, las amplitudes de la función de onda, así como las probabilidades de obtener diferentes estados finales que pueden ser: dispersión (partículas que “rebotan”), transición a estados ligados, o la interacción y aniquilación para formar nuevos productos.
En física todo resultado que no esté prohibido contribuye con una probabilidad para el resultado final y debe de ser tomado en cuenta. Por otra parte, desde una perspectiva experimental, se miden cantidades directamente incluyendo la dispersión, la formación de estados ligados, así como (para partículas y antipartículas) la posibilidad de procesos de aniquilación y todos los productos de decaimiento.
Contrario a lo que muchos podrían pensar en la interacción de materia y antimateria la aniquilación no es algo que ocurra el 100% de las veces.
Por ejemplo, en la interacción de un protón y un antiprotón (como ocurre en muchos aceleradores de partículas del mundo) se debe de tomar en cuenta la energía y velocidad de cada partícula pues la sección transversal experimentalmente medida no tiene un valor fijo, como si fueran bolas de billar, sino que la sección transversal depende de la energía.
A altas energías, unos doscientos giga electronvoltios (200 GeV), que son energías mayores que la masa en reposo de las partículas del llamado Modelo
Estándar, la sección transversal del proceso protón-antiprotón, es idéntica a la sección transversal de un protón-protón. En este caso no importa si una partícula es antimateria o no. Sin embargo, a bajas energías la sección transversal de las colisiones proton-antiproton es mucho mayor que para una colisión protón-protón.
En este caso las funciones de onda se traslapan y las partículas pueden formar un estado ligado llamado “protonio” que es un “átomo” con una vida media de una milésima de segundo, después de este tiempo el protón y el antiprotón se aniquilan. Podemos ver que la aniquilación de materia es un proceso probable solo para bajos valores de la sección transversal de las partículas interactuantes.