Questa ricerca portò il giovane scienziato alla formulazione della meccanica quantistica relativistica, teoria che attualmente descrive con successo il comportamento di tutte le particelle note.
L'aspetto più affascinante, che lasciò sorpreso lo stesso Dirac, è che tale teoria prevede per ogni particella dotata di carica, l'esistenza di un'altra particella dotata di massa identica e carica opposta: quella che oggi chiamiamo antiparticella.
Nel 1928 Dirac formulò una teoria per il moto degli elettroni in campi elettrici e magnetici, includendo sia effetti quantistici che effetti relativistici.
Questa teoria, in grado di descrivere i risultati delle misure sperimentali in modo eccezionalmente preciso, portò anche ad una sorprendente previsione.
L'elettrone doveva avere una "antiparticella" con stessa massa ma carica elettrica opposta a quella negativa di un normale elettrone.La previsione di Dirac trovò conferma sperimentale nel 1932.
Oggi sappiamo che tutte le particelle con momento angolare intrinseco (spin) semi-intero, devono avere un'antiparticella.
Mentre la massa di particelle e antiparticelle è identica, altre proprietà sono caratterizzate da valori che hanno segno matematico opposto.
Ad es. l'antiprotone ha la stessa massa del protone ma carica elettrica opposta (la carica del protone è positiva, quella dell'antiprotone è negativa).
Anche alle particelle elettricamente neutre, come il neutrone, corrispondono antiparticelle.
Esse possiedono proprietà, con segno cambiato, differenti dalla carica elettrica, ad es., il momento magnetico intrinseco.
Quando materia e antimateria si incontrano diventano energia
La teoria del mare di Dirac verrà, poi, superata con il passaggio ad uno stadio successivo della teoria quantistica relativistica (detta seconda quantizzazione), in cui si riconoscerà che l'unica interpretazione coerente delle equazioni quantistiche relativistiche è quello a molti-corpi, che qui è un po' complicato descrivere: in pratica, le equazioni devono essere interpretate non come equazioni di singola particella, ma come equazioni relative a campi ondulatori le cui vibrazioni sono le particelle.
In ogni caso, rimane valida la conseguenza appena descritta: per ogni particella di massa m e carica elettrica q, è prevista una particella gemella con la stessa massa e carica elettrica -q.
A questo punto si può rispondere alle domande iniziali; l'antimateria emerge non come una finzione matematica, ma come realmente esistente: in fondo è essa stessa materia, anche se con proprietà opposte a quella (per esempio la carica elettrica, ma anche altri tipi di cariche che caratterizzano le particelle elementari).
Dunque, deve essere possibile fare degli esperimenti e rivelare queste particelle previste dalla teoria.
E infatti, nel 1931, il fisico americano Carl Anderson fu il primo a scoprire, negli sciami di raggi cosmici, delle particelle che sembravano avere la stessa massa degli elettroni ma, nel campo magnetico del rivelatore, curvavano in direzione opposta: erano i positroni, antiparticelle degli elettroni.
Da allora molte antiparticelle sono state scoperte (cioè veramente osservate in esperimenti!), dando ragione alle predizioni della teoria che abbiamo descritto, e addirittura prodotte artificialmente negli acceleratori di particelle.
Se e in quali proporzioni il nostro universo contenga antimateria (a parte quella che produciamo nei nostri acceleratori di particelle) è una storia più lunga...
La prima conferma sperimentale dell'esistenza delle coppie particella-antiparticella si ebbe negli anni 1932-33, quando Anderson (Nobel 1936) , Blackett (Nobel 1948) e Occhialini, studiando gli sciami delle particelle secondarie prodotte dai raggi cosmici nell'atmosfera terrestre, scoprirono l'antiparticella dell'elettrone, il positrone (positone) o elettrone positivo.
Parecchi anni dopo (1955), il fisico italiano Emilio Segrè (Nobel 1959), a conclusione di una serie di esperimenti effettuati con il ciclotrone da 6,2 GeV dell' università di Berkeley, riuscì a produrre l'antiprotone, fornendo un'ulteriore ,brillante conferma della validità della meccanica quantistica relativistica di Dirac.