Aniquilación

En física de partículas, la aniquilación es el proceso que ocurre cuando una partícula subatómica choca con su respectiva antipartícula para producir otras partículas, como un electrón que choca con un positrón para producir dos fotones. La energía total y el momento del par inicial se conservan en el proceso y se distribuyen entre un conjunto de otras partículas en el estado final. Las antipartículas tienen números cuánticos aditivos exactamente opuestos a los de las partículas, por lo que las sumas de todos los números cuánticos de ese par original son cero. Por lo tanto, se puede producir cualquier conjunto de partículas cuyos números cuánticos totales también sean cero siempre que se obedezcan la conservación de la energía, la conservación del momento y la conservación del espín.

Durante una aniquilación de baja energía, se favorece la producción de fotones, ya que estas partículas no tienen masa. Los colisionadores de partículas de alta energía producen aniquilaciones donde se crea una amplia variedad de partículas pesadas exóticas.

La palabra "aniquilación" se usa informalmente para la interacción de dos partículas que no son antipartículas mutuas, no conjugadas de carga. Algunos números cuánticos pueden entonces no sumar cero en el estado inicial, pero conservarse con los mismos totales en el estado final. Un ejemplo es la "aniquilación" de un antineutrino electrónico de alta energía con un electrón para producir un bosón W−.

Si las partículas aniquiladoras son compuestas, como mesones o bariones, en el estado final normalmente se producen varias partículas diferentes.

Producción de un solo bosón

Si las dos partículas iniciales son elementales (no compuestas), pueden combinarse para producir un solo bosón elemental, como un fotón (γ), gluón (g), Z o un bosón de Higgs (H0). Si la energía total en el marco del centro de momento es igual a la masa en reposo de un bosón real (lo cual es imposible para un bosón sin masa como el γ), entonces esa partícula creada continuará existiendo hasta que decaiga de acuerdo con su tiempo de vida. En caso contrario, el proceso se entiende como la creación inicial de un bosón virtual, que se convierte inmediatamente en un par partícula + antipartícula real. Esto se llama un proceso de canal s. Un ejemplo es la aniquilación de un electrón con un positrón para producir un fotón virtual, que se convierte en muón y antimuón. Si la energía es lo suficientemente grande, una Z podría reemplazar al fotón.

Ejemplos

Aniquilación electrón-positrón

e)+e+→γ+γ

Cuando un electrón de baja energía aniquila un positrón (antielectrón) de baja energía, el resultado más probable es la creación de dos o más fotones, ya que las únicas otras partículas del modelo estándar de estado final que los electrones y los positrones tienen suficiente masa: energía para producir son neutrinos, que tienen aproximadamente 10,000 veces menos probabilidades de producir, y la creación de un solo fotón está prohibida por la conservación del impulso: un solo fotón llevaría un impulso distinto de cero en cualquier marco, incluido el marco del centro del impulso donde el el impulso total se desvanece. Tanto el electrón aniquilador como las partículas de positrones tienen una energía en reposo de aproximadamente 0,511 millones de electronvoltios (MeV). Si sus energías cinéticas son relativamente despreciables, esta energía total en reposo aparece como la energía fotónica de los fotones producidos. Cada uno de los fotones tiene entonces una energía de aproximadamente 0,511 MeV. Tanto el momento como la energía se conservan, con 1,022 MeV de energía fotónica (que representan el resto de la energía de las partículas) moviéndose en direcciones opuestas (que representan el momento cero total del sistema).

Si una o ambas partículas cargadas tienen una mayor cantidad de energía cinética, se pueden producir varias otras partículas. Además, la aniquilación (o descomposición) de un par electrón-positrón en un fotón único puede ocurrir en presencia de una tercera partícula cargada, a la que se puede transferir el exceso de impulso mediante un fotón virtual desde el electrón o positrón. El proceso inverso, la producción de pares por un solo fotón real, también es posible en el campo electromagnético de una tercera partícula.

Aniquilación protón-antiprotón

Cuando un protón se encuentra con su antipartícula (y, de manera más general, si cualquier especie de barión se encuentra con el antibarión correspondiente), la reacción no es tan simple como la aniquilación electrón-positrón. A diferencia de un electrón, un protón es una partícula compuesta que consta de tres "quarks de valencia" y un número indeterminado de "quarks marinos" unidos por gluones. Por lo tanto, cuando un protón se encuentra con un antiprotón, uno de sus quarks, generalmente un quark de valencia constituyente, puede aniquilarse con un antiquark (que más raramente podría ser un quark marino) para producir un gluón, después de lo cual el gluón junto con los quarks restantes, antiquarks y gluones se someterán a un proceso complejo de reordenamiento (llamado hadronización o fragmentación) en varios mesones (principalmente piones y kaones), que compartirán la energía y el momento totales. Los mesones recién creados son inestables y, a menos que se encuentren e interactúen con algún otro material, decaerán en una serie de reacciones que finalmente producirán solo fotones, electrones, positrones y neutrinos. Este tipo de reacción ocurrirá entre cualquier barión (partícula que consta de tres quarks) y cualquier antibarión que consta de tres antiquarks, uno de los cuales corresponde a un quark en el barión. (Esta reacción es improbable si al menos uno entre el barión y el antibarión es lo suficientemente exótico como para no compartir sabores de quarks constituyentes). Los antiprotones pueden aniquilarse y lo hacen con neutrones, y del mismo modo los antineutrones pueden aniquilarse con protones, como se analiza a continuación.

Se han observado reacciones en las que la aniquilación protón-antiprotón produce hasta 9 mesones, mientras que la producción de 13 mesones es teóricamente posible. Los mesones generados abandonan el sitio de la aniquilación a fracciones moderadas de la velocidad de la luz y se desintegran con el tiempo de vida apropiado para su tipo de mesón.

Ocurrirán reacciones similares cuando un antinucleón se aniquile dentro de un núcleo atómico más complejo, excepto que los mesones resultantes, al estar interactuando fuertemente, tienen una probabilidad significativa de ser absorbidos por uno de los 'espectadores' restantes. nucleones en lugar de escapar. Dado que la energía absorbida puede llegar a ~2 GeV, en principio puede superar la energía de enlace incluso de los núcleos más pesados. Por lo tanto, cuando un antiprotón se aniquila dentro de un núcleo pesado como el uranio o el plutonio, puede ocurrir una ruptura parcial o total del núcleo, liberando una gran cantidad de neutrones rápidos. Tales reacciones abren la posibilidad de desencadenar un número significativo de reacciones de fisión secundaria en una masa subcrítica y pueden ser potencialmente útiles para la propulsión de naves espaciales.

Producción de Higgs

En las colisiones de dos nucleones a muy altas energías, los quarks marinos y los gluones tienden a dominar la tasa de interacción, por lo que ninguno de los nucleones necesita ser una antipartícula para la aniquilación de un par de quarks o la "fusión" de dos gluones que se produzcan. Ejemplos de tales procesos contribuyen a la producción del largamente buscado bosón de Higgs. El Higgs se produce directamente muy débilmente por la aniquilación de los quarks ligeros (valencia), pero los pesados t o b quarks marinos o producidos están disponibles. En 2012, el laboratorio del CERN en Ginebra anunció el descubrimiento del Higgs en los desechos de las colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El rendimiento más fuerte de Higgs proviene de la fusión de dos gluones (a través de la aniquilación de un par de quarks pesados), mientras que dos quarks o antiquarks producen eventos más fáciles de identificar a través de la radiación de un Higgs por un bosón vectorial virtual producido o la aniquilación de dos de estos bosones vectoriales.