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 por ejemplo un electrón que choca con un positrón para producir dos fotones . [1] La energía y el momento totales 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 dicho par original son cero. Por lo tanto, se puede producir cualquier conjunto de partículas cuyos números cuánticos totales también sean cero siempre que se respeten la conservación de la energía , la conservación del momento y la conservación del espín . [2]
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 en las que 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, ni 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 electrónico de alta energía con un electrón para producir un bosón W- .
Si las partículas aniquiladoras son compuestas , como mesones o bariones , entonces normalmente se producen varias partículas diferentes en el estado final.
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 elγ), entonces esa partícula creada seguirá existiendo hasta que se desintegre según 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 antimuón. Si la energía es lo suficientemente grande, unzpodría reemplazar al fotón.
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 en estado final del Modelo Estándar que los electrones y positrones transportan suficiente masa-energía para producir son neutrinos , que tienen aproximadamente 10.000 veces menos probabilidades de producirse, y la creación de un solo fotón está prohibida por la conservación del momento: un solo fotón tendría un momento distinto de cero en cualquier marco , incluido el marco del centro del momento donde el momento total desaparece. . Tanto las partículas de electrones como las de positrones aniquiladoras tienen una energía en reposo de aproximadamente 0,511 millones de electronvoltios (MeV). Si sus energías cinéticas son relativamente insignificantes, 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 representa la energía en reposo de las partículas) moviéndose en direcciones opuestas (lo que representa el momento total cero del sistema). [3]
Si una o ambas partículas cargadas transportan una mayor cantidad de energía cinética, se pueden producir 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 que se puede transferir el exceso de impulso mediante un fotón virtual del 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.
Cuando un protón encuentra su antipartícula (y, más generalmente, si cualquier especie de barión encuentra 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 formada por tres " quarks de valencia " y un número indeterminado de " quarks marinos " unidos por gluones . Así, cuando un protón encuentra 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, tras lo cual el gluón, junto con los quarks restantes, Los antiquarks y los gluones sufrirán un complejo proceso de reordenamiento (llamado hadronización o fragmentación ) en una serie de mesones (principalmente piones y kaones ), que compartirán la energía y el impulso totales. Los mesones recién creados son inestables y, a menos que encuentren e interactúen con algún otro material, se desintegrarán en una serie de reacciones que, en última instancia, producirán sólo 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 del barión. (Esta reacción es poco probable si al menos uno de los bariones y antibariones es lo suficientemente exótico como para no compartir sabores de quarks constituyentes). Los antiprotones pueden aniquilarse con neutrones , y de hecho lo hacen, y de la misma manera los antineutrones pueden aniquilarse con protones, como se analiza más adelante.
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. [4]
Se producirán reacciones similares cuando un antinucleón se aniquile 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. Así, cuando un antiprotón se aniquila en el interior de un núcleo pesado como el uranio o el plutonio , puede producirse una disrupción parcial o completa del núcleo, liberando un gran número de neutrones rápidos. [5] 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 . [ cita necesaria ]
En colisiones de dos nucleones a energías muy altas, los quarks marinos y los gluones tienden a dominar la velocidad de interacción, por lo que ninguno de los nucleones necesita ser una antipartícula para que se produzca la aniquilación de un par de quarks o la "fusión" de dos gluones. Ejemplos de tales procesos contribuyen a la producción del tan buscado bosón de Higgs . El Higgs se produce directamente de forma muy débil mediante la aniquilación de quarks ligeros (de valencia), pero los pesadostobSe encuentran disponibles quarks marinos o producidos. En 2012, el laboratorio del CERN en Ginebra anunció el descubrimiento del Higgs en los restos de las colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El rendimiento más fuerte del Higgs se produce a partir de la fusión de dos gluones (mediante 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.
