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 . [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 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 utiliza de manera informal para referirse a la interacción de dos partículas que no son antipartículas mutuas (no conjugadas en cuanto a 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 aniquiladas son compuestas , como mesones o bariones , entonces normalmente se producen varias partículas diferentes en el estado final.
La inversa de la aniquilación es la producción de pares , el proceso en el que un fotón de alta energía convierte su energía en masa.
Si las dos partículas iniciales son elementales (no compuestas), entonces pueden combinarse para producir solo un único bosón elemental , como un fotón (
gamma
), gluón (
gramo
),O, o un bosón de Higgs (yo0). Si la energía total en el marco del centro del momento es igual a la masa en reposo de un bosón real (lo cual es imposible para un bosón sin masa como el
gamma
), entonces esa partícula creada seguirá existiendo hasta que se desintegra de acuerdo con su tiempo de vida . De lo contrario, el proceso se entiende como la creación inicial de un bosón que es virtual , que inmediatamente se convierte 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 un muón y un antimuón. Si la energía es lo suficientemente grande, unOPodría reemplazar al fotón.
Cuando un electrón de baja energía aniquila un positrón de baja energía (antielectrón), 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 positrones llevan suficiente masa-energía para producir son los 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 llevaría un momento distinto de cero en cualquier marco , incluido el marco del centro del momento donde el momento total se desvanece. Tanto las partículas de electrón como de positrón que se aniquilan tienen una energía en reposo de aproximadamente 0,511 millones de electronvoltios (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 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 (que representan el momento cero total del sistema). [3]
Si una o ambas partículas cargadas tienen una mayor cantidad de energía cinética, se pueden producir otras partículas. Además, la aniquilación (o desintegración) de un par electrón-positrón en un único fotón puede ocurrir en presencia de una tercera partícula cargada, a la que se puede transferir el exceso de momento mediante un fotón virtual del electrón o positrón. El proceso inverso, la producción de pares por un único fotón real, también es posible en el campo electromagnético de una tercera partícula.
Cuando un protón se encuentra con su antipartícula (y, más generalmente, 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 mar " 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 mar) para producir un gluón, después de lo cual el gluón junto con los quarks, antiquarks y gluones restantes experimentarán un complejo proceso de reordenamiento (llamado hadronización o fragmentación ) en una serie de 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, se desintegrarán en una serie de reacciones que, en última instancia, producirán solo fotones , electrones , positrones y neutrinos . Este tipo de reacción se producirá 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 poco probable si al menos uno entre el barión y el antibarión es lo suficientemente exótico como para que no compartan sabores de quarks constituyentes). Los antiprotones pueden aniquilarse y lo hacen con neutrones , y de la misma manera los antineutrones pueden aniquilarse con protones, como se analiza a continuación.
Se han observado reacciones en las que la aniquilación de protones y antiprotones produce hasta 9 mesones, aunque teóricamente es posible la producción de 13 mesones. 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]
Reacciones similares ocurrirán cuando un antinucleón se aniquila dentro de un núcleo atómico más complejo , salvo que los mesones resultantes, al estar fuertemente interactuando , 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 superar la energía de enlace de incluso 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 disrupción parcial o completa del núcleo, liberando grandes cantidades de neutrones rápidos. [5] Tales reacciones abren la posibilidad de desencadenar una cantidad significativa de reacciones de fisión secundaria en una masa subcrítica y pueden ser potencialmente útiles para la propulsión de naves espaciales . [ cita requerida ]
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. Ejemplos de tales procesos contribuyen a la producción del largamente buscado bosón de Higgs . El Higgs se produce directamente de forma muy débil por la aniquilación de quarks ligeros (de valencia), pero los quarks pesadosaobEn 2012, el laboratorio CERN de Ginebra anunció el descubrimiento del bosón de Higgs en los restos de las colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El mayor rendimiento del bosón de 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 bosón de Higgs por un bosón vectorial virtual producido o la aniquilación de dos de esos bosones vectoriales.
