La aniquilación electrón-positrón ocurre cuando un electrón (
mi−
) y un positrón (
mi+
, la antipartícula del electrón ) chocan. A bajas energías, el resultado de la colisión es la aniquilación del electrón y del positrón, y la creación de fotones energéticos :
A altas energías se pueden crear otras partículas, como los mesones B o los bosones W y Z. Todos los procesos deben satisfacer una serie de leyes de conservación , que incluyen:
Como ocurre con dos objetos cargados cualesquiera, los electrones y los positrones también pueden interactuar entre sí sin aniquilarse, en general mediante dispersión elástica .
Sólo hay un conjunto muy limitado de posibilidades para el estado final. La más probable es la creación de dos o más fotones gamma. La conservación de la energía y el impulso lineal impiden la creación de un solo fotón. (Una excepción a esta regla puede ocurrir para electrones atómicos fuertemente unidos. [1] ) En el caso más común, se crean dos fotones gamma, cada uno con energía igual a la energía en reposo del electrón o positrón (0,511 MeV ). [2] Un marco de referencia conveniente es aquel en el que el sistema no tiene momento lineal neto antes de la aniquilación; así, 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 . [3] También es posible crear un número mayor de fotones, pero la probabilidad disminuye con cada fotón gamma adicional porque estos procesos más complejos tienen amplitudes de probabilidad más bajas .
Dado que los neutrinos también tienen una masa menor que los electrones, también es posible (aunque extremadamente improbable) que la aniquilación produzca uno o más pares neutrino- antineutrino . La probabilidad de que se produzca tal proceso es del orden de 10.000 veces menor que la de la aniquilación en fotones. Lo mismo sería válido para cualquier otra partícula que sea tan ligera, siempre que compartan al menos una interacción fundamental con los electrones y ninguna ley de conservación lo prohíba. Sin embargo, no se conocen otras partículas similares.
Si el electrón o el positrón, o ambos, tienen energías cinéticas apreciables , también se pueden producir otras partículas más pesadas (como los mesones D o los mesones B ), ya que hay suficiente energía cinética en las velocidades relativas para proporcionar las energías en reposo de esas partículas. . Alternativamente, es posible producir fotones y otras partículas ligeras, pero emergerán con energías cinéticas más altas.
En 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 . [3] Como resultado, resulta mucho más fácil producir partículas como los neutrinos que interactúan sólo débilmente con otra materia.
Los pares de partículas más pesados producidos hasta ahora por la aniquilación electrón-positrón en aceleradores de partículas son
W.+
–
W.−
pares (masa 80,385 GeV/c 2 × 2). La partícula con carga única más pesada es el bosón Z (masa 91,188 GeV/c 2 ). La motivación que impulsó la construcción del Colisionador Lineal Internacional es producir de esta manera los bosones de Higgs (masa 125,09 GeV/c 2 ). [ cita necesaria ]
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 bandas en metales mediante una técnica llamada 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 investigación directa de defectos de tipo vacante. [4]
La reacción inversa, la creación electrón-positrón, es una forma de producción de pares regida por la física de dos fotones .
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