Aniquilación - Annihilation

Un diagrama de Feynman que muestra la aniquilación mutua de un par de positrones de electrones en estado ligado en dos fotones. Este estado ligado se conoce más comúnmente como positronio .

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 de las partículas, por lo que las sumas de todos los números cuánticos de ese par original son cero. Por tanto, se puede producir cualquier conjunto de partículas cuyos números cuánticos totales sean también cero siempre que se respeten la conservación de la energía y la conservación del momento .

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 . Es posible que algunos números cuánticos no sumen cero en el estado inicial, pero se conserven con los mismos totales en el estado final. Un ejemplo es la "aniquilación" de un antineutrino de electrones de alta energía con un electrón para producir un
W-
.

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

Producción de un solo bosón

Si las dos partículas iniciales son elementales (no compuestas), entonces pueden combinarse para producir un solo bosón elemental , como un fotón (
γ
), gluón (
gramo
),
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 se descomponga de acuerdo con su vida útil . De lo contrario, el proceso se entiende como la creación inicial de un bosón que es virtual , que inmediatamente se convierte en un par real partícula + antipartícula. A esto se le llama 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 anti-muón. Si la energía es lo suficientemente grande,
Z
podría reemplazar el fotón.

Ejemplos de

Aniquilación electrón-positrón


mi-
 + 
mi+
 → 
γ
 + 
γ
Aniquilación de electrones / positrones a varias energías

Cuando un electrón de baja energía aniquila un positrón de baja energía (antielectrón), lo 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 positrones llevan 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 momento: un solo fotón llevaría un momento distinto de cero en cualquier marco , incluido el marco del centro del momento donde el momento total se desvanece. Tanto el electrón aniquilador como las partículas de positrones tienen una energía en reposo de aproximadamente 0,511 millones de electrón-voltios (MeV). Si sus energías cinéticas son relativamente insignificantes, esta energía en reposo total aparece como la energía fotónica de los fotones producidos. Cada uno de los fotones tiene una energía de aproximadamente 0,511 MeV. El momento y la energía se conservan, con 1.022 MeV de energía fotónica (que representa la energía en reposo de las partículas) moviéndose en direcciones opuestas (lo que representa el momento total cero del sistema).

Si una o ambas partículas cargadas llevan una mayor cantidad de energía cinética, se pueden producir varias otras partículas. Además, la aniquilación (o desintegración) de un par electrón-positrón en un solo fotón puede ocurrir en presencia de una tercera partícula cargada, a la cual el exceso de momento puede ser transferido por un fotón virtual del electrón o del positrón. El proceso inverso, producción de pares por un solo fotón real, también es posible en el campo electromagnético de una tercera partícula.

Aniquilación de protones y antiprotones

Cuando un protón encuentra su antipartícula (y más generalmente, si alguna especie de barión se encuentra con el correspondiente antibarión ), 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 de mar) para producir un gluón, después de lo cual el gluón junto con los quarks restantes, antiquarks y gluones se someterán a un complejo proceso de reordenamiento (llamado hadronización o fragmentación ) en una serie de mesones , (en su mayoría 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, se descompondrán en una serie de reacciones que finalmente producirán solo fotones , electrones , positrones y neutrinos . Este tipo de reacción se producirá entre cualquier barión (partícula formada por tres quarks) y cualquier antibarión formado por tres antiquarks, uno de los cuales corresponde a un quark en el barión. (Esta reacción es poco probable si al menos uno de los bariones y anti-bariones es lo suficientemente exótico como para que no compartan los sabores de los quarks constituyentes). Los antiprotones pueden aniquilar y aniquilan 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 lugar 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.

Se producirán reacciones similares cuando un antinucleón se aniquila dentro de un núcleo atómico más complejo , salvo que los mesones resultantes, al interactuar fuertemente , tienen una probabilidad significativa de ser absorbidos por uno de los nucleones "espectadores" restantes en lugar de escapar. Dado que la energía absorbida puede ser de hasta ~ 2  GeV , en principio puede exceder 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 completa 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 energías muy altas, los quarks marinos y los gluones tienden a dominar la tasa de interacción, por lo que ningún nucleón necesita ser una antipartícula para que se produzca la aniquilación de un par de quarks o la "fusión" de dos gluones. Los ejemplos de tales procesos contribuyen a la producción del bosón de Higgs tan buscado . El Higgs se produce directamente muy débilmente por la aniquilación de quarks ligeros (valencia), pero pesados
t
o
B
mar o quarks producidos están disponibles. En 2012, el laboratorio del CERN en Ginebra anunció el descubrimiento del Higgs en los escombros 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 fácilmente identificables a través de la radiación de un Higgs por un bosón vectorial virtual producido o la aniquilación de dos de esos bosones vectoriales.

Ver también

Referencias

Notaciones

  • Kragh, H. (1999). Generaciones cuánticas: una historia de la física en el siglo XX . Prensa de la Universidad de Princeton . ISBN 0-691-01206-7.

Notas al pie

enlaces externos