Oppenheimer, Dirac y la protohistoria del antiprotón

Dibujo20131020 bevatron 1955 - most powerful accelerator - protons at 6p5 GeV

Bevatrón, inaugurado en 1955, aceleraba protones a 6,5 GeV.

Robert Oppenheimer propuso en 1930 que el antielectrón predicho por la ecuación de Dirac en 1928 no era el protón, como sugirió el propio Paul Dirac en 1930, por su diferencia de masa y porque el átomo de hidrógeno sería inestable. Más aún, propuso que debía existir un antiprotón asociado al protón. Tras el descubrimiento del positrón (antielectrón), Dirac recibió el Premio Nobel en 1933 y en su Discurso Nobel acabó diciendo que debía existir un antiprotón asociado al protón. El antiprotón fue descubierto en los experimentos en 1955 por Emilio Segrè y Owen Chamberlain (ambos de la Universidad de California, Berkeley), que recibieron por ello el Premio Nobel en 1959. Permíteme recordar la protohistoria del antiprotón.

La ecuación relativista para el electrón propuesta por Paul Dirac en 1928 predecía la existencia de estados de energía negativa [1]. Cada estado del electrón de energía positiva +E estaría acompañado de un estado de energía negativa −E. Como un electrón en movimiento acelerado emite radiación y pierde energía, todo electrón con energía positiva acabaría alcanzando una energía negativa y el proceso continuaría ad infinitum. Este hecho no se observa en los experimentos.

Para resolver este problema, Dirac recurrió en 1929 al principio de exclusión de Pauli e introdujo el llamado “mar de Dirac” [2]. En el estado de “vacío” de su ecuación, todos los estados de energía negativa están ocupados, por lo que no se observan electrones de energía negativa en los experimentos. Pero pueden existir “huecos” en este “mar” de estados de energía negativa, que se observan como una partícula de energía positiva pero con carga positiva. La única partícula conocida entonces con carga positiva era el protón, por lo que Dirac tituló su artículo, que apareció en la revista el 1 de enero de 1930, como “Una teoría de electrones y protones” [2], aunque reconocía que no tenía una explicación física del porqué la masa de los protones y los electrones es diferente.

Dibujo20131020 first image annihilation star - discovery of antiproton

Descubrimiento del antiprotón.

Robert J. Oppenheimer, tras leer el artículo de Dirac, escribió una crítica titulada “Sobre la teoría de electrones y protones” que apareció en Physical Review dos meses más tarde [3]. Por un lado, si todos los estados de energía negativa estaban ocupados, no le parecía razonable que existieran en el universo tantos protones como electrones. Además, la partícula de carga positiva predicha por Dirac se podría aniquilar con un electrón produciendo dos fotones, con lo que el átomo de hidrógeno sería inestable. Por todo ello Oppenheimer predijo que si el electrón tenía estados de energía negativa ocupados, entonces el protón también tendría que tenerlos. Aunque no utiliza de forma explícita la palabra “antiprotón” (dado que hasta entonces nadie había utilizado la palabra “antielectrón”), el párrafo final del artículo de Oppenheimer sugiere la existencia del antiprotón y en la mayoría de los libros de historia de la física de partículas aparece como el “padre” del antiprotón.

En la wikipedia pone que Dirac predijo (o intuyó) el antiprotón en su Discurso Nobel en 1933 [4]. Su párrafo final predice la existencia de la antimateria: “Si aceptamos la simetría completa entre los estados de carga eléctrica positiva y negativa como una de las leyes fundamentales de la Naturaleza, podría ocurrir que fuera un accidente que en la Tierra (y en el Sistema Solar) predominen los electrones y los protones. Puede que haya estrellas hechas de positrones y “protones negativos”. Puede incluso que la mitad de las estrellas sean así.” Los protones negativos de Dirac es lo que hoy en día llamamos antiprotones. Dirac sugiere que puede existir la antimateria, antiátomos formados por antiprotones y positrones.

Dibujo20131020 Emilio Segre - Clyde Wiegand - Edward Lofgren - Owen Chamberlain - Thomas Ypsilantis

Emilio Segré, Owen Chamberlain y tres colegas.

El descubrimiento del antiprotón fue publicado el 1 de noviembre de de 1955 en Physical Review Letters [5]. Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand y Thomas Ypsilantis, miembros del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, observaron una nueva partícula subatómica, idéntica al protón, pero con carga eléctrica negativa en lugar de positiva. Utilizaron el recién inaugurado Bevatrón, entonces el acelerador de partículas más potente del mundo, capaz de acelerar protones hasta energías de unos 6,5 GeV. La observación de un antiprotón requería crear un par protón-antiprotón, es decir, una energía superior al doble de su masa, unos 2 GeV. En el Bevatrón se decidió hacer incidir un haz de protones de 6,5 GeV en un blanco de neutrones estacionario.

En 1954, Ernest O. Lawrence, inventor del ciclotrón en 1931, Premio Nobel de 1939, decidió construir el Bevatrón en su Laboratorio de la Universidad de California en Berkeley para buscar el antiprotón. Este laboratorio, tras su muerte en 1958, fue rebautizado Laboratorio Lawrence Berkeley. Dos equipos decidieron buscar el antiprotón de forma independiente. Un equipo dirigido por Edward Lofgren y el otro por Owen Chamberlain y Emilio Segrè. Este último descubrió el antiprotón en 1955 y sus líderes obtuvieron el Premio Nobel en 1959. Pero relatar los detalles será objeto de una futura entrada.

Coda final. Un día como hoy en 1984, 20 de octubre, falleció P.A.M. Dirac. Por ello esta entrada participa en la XLV edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión por Cuantos y cuerdas.

Referencias

[1] P. A. M. Dirac, “The Quantum Theory of the Electron,” Proc. R. Soc. Lond. A 117: 610-624, 01 Feb 1928 [pdf gratis]; P. A. M. Dirac, “The Quantum Theory of the Electron. Part II,” Proc. R. Soc. Lond. A 118: 351-361, 01 Mar 1928 [pdf gratis].

[2] P. A. M. Dirac, “A Theory of Electrons and Protons,” Proc. R. Soc. Lond. A 126: 360-365, 01 Jan 1930 [pdf gratis].

[3] J. R. Oppenheimer, “On the Theory of Electrons and Protons,” Physical Review 35: 562-563, 01 Mar 1930 [pdf gratis].

[4] P. A. M. Dirac, “Theory of electrons and positrons,” Nobel Lecture, 12 Dec 1933 [pdf gratis].

[5] Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand, and Thomas Ypsilantis, “Observation of Antiprotons,” Phys. Rev. 100: 947–950, 01 Nov 1955 [pdf gratis].