Aniquilación electrón-positrón

Aniquilación de electron-positron naturalmente como resultado de beta más decaimiento

La aniquilación electrón-positrón ocurre cuando un electrón (
e⁻
) y un positrón (
e⁺
, la antipartícula del electrón) chocan. A bajas energías, el resultado de la colisión es la aniquilación del electrón y el positrón, y la creación de fotones energéticos:

e⁻
+
e⁺
→
γ
+
γ

A altas energías, se pueden crear otras partículas, como los mesones B o los bosones W y Z. Todos los procesos deben cumplir una serie de leyes de conservación, que incluyen:

• Conservación de carga eléctrica. La carga neta antes y después es cero.
• Conservación del impulso lineal y la energía total. Esto prohíbe la creación de un solo fotón. Sin embargo, en la teoría de campo cuántica se permite este proceso; vea ejemplos de aniquilación.
• Conservación del impulso angular.
• Conservación del número total (i.e. net) de leptón, que es el número de leptones (como el electrón) menos el número de antileptones (como el positrón); esto se puede describir como una conservación de (net) ley de materia.

Al igual que con dos objetos cargados cualesquiera, los electrones y los positrones también pueden interactuar entre sí sin aniquilarse, en general por dispersión elástica.

Estuche de bajo consumo

Solo hay un conjunto muy limitado de posibilidades para el estado final. Lo más probable es la creación de dos o más fotones gamma. La conservación de la energía y el momento lineal prohíben la creación de un solo fotón. (Puede ocurrir una excepción a esta regla para los electrones atómicos estrechamente unidos). En el caso más común, se crean dos fotones gamma, cada uno con una energía igual al resto de la energía del electrón o positrón (0,511 MeV). Un marco de referencia conveniente es aquel en el que el sistema no tiene momento lineal neto antes de la aniquilación; por lo tanto, después de la colisión, los fotones gamma se emiten en direcciones opuestas. También es común que se creen tres, ya que en algunos estados de momento angular esto es necesario para conservar la paridad de carga. También es posible crear una cantidad mayor de fotones, pero la probabilidad se reduce con cada fotón gamma adicional porque estos procesos más complejos tienen amplitudes de probabilidad más bajas.

Dado que los neutrinos también tienen una masa más pequeña que los electrones, también es posible, pero extremadamente improbable, que la aniquilación produzca uno o más pares de neutrinos-antineutrinos. La probabilidad de tal proceso es del orden de 10000 veces menor que la aniquilación en fotones. Lo mismo sería cierto para cualquier otra partícula, que sea tan ligera, siempre que comparta al menos una interacción fundamental con los electrones y ninguna ley de conservación lo prohíba. Sin embargo, no se conocen otras partículas de este tipo.

Caso de alta energía

Si el electrón o el positrón, o ambos, tienen energías cinéticas apreciables, también se pueden producir otras partículas más pesadas (como mesones D o mesones B), ya que hay suficiente energía cinética en las velocidades relativas para proporcionar las energías restantes de esas partículas. Alternativamente, es posible producir fotones y otras partículas de luz, pero emergerán con energías cinéticas más altas.

A energías cercanas y más allá de la masa de los portadores de la fuerza débil, los bosones W y Z, la fuerza de la fuerza débil se vuelve comparable a la fuerza electromagnética. Como resultado, se vuelve mucho más fácil producir partículas como los neutrinos que interactúan débilmente con otra materia.

Los pares de partículas más pesados producidos hasta ahora por la aniquilación electrón-positrón en los aceleradores de partículas son los pares W+–W− (masa 80,385 GeV/c² × 2). La partícula con una sola carga más pesada es el bosón Z (masa 91,188 GeV/c²). La motivación principal para construir el colisionador lineal internacional es producir los bosones de Higgs (masa 125,09 GeV/c²) de esta manera.

Aniquilación electron/positron en diversas energías

Usos prácticos

El proceso de aniquilación electrón-positrón es el fenómeno físico en el que se basa la tomografía por emisión de positrones (PET) y la espectroscopia de aniquilación de positrones (PAS). También se utiliza como método para medir la superficie de Fermi y la estructura de la banda en metales mediante una técnica denominada correlación angular de radiación de aniquilación de electrones y positrones. También se utiliza para la transición nuclear. La espectroscopia de aniquilación de positrones también se utiliza para el estudio de defectos cristalográficos en metales y semiconductores; se considera la única prueba directa de defectos de tipo vacante.

Reacción inversa

La reacción inversa, la creación de electrones y positrones, es una forma de producción de pares regida por la física de dos fotones.