Partículas, antipartículas y su aniquilación.

Las antipartículas a menudo se presentan más místicas y misteriosas de lo que realmente son, y todo esto gracias a la ciencia ficción y otros trabajos, como " Ángeles y demonios " de Dan Brown.

Cada tipo de partícula tiene una antipartícula. Por lo general, esta es una partícula separada, pero sucede que la antipartícula y la partícula son una y la misma. Solo las partículas que satisfacen ciertas condiciones (por ejemplo, eléctricamente neutras) pueden ser antipartículas por sí mismas. Una pequeña lista de ejemplos de tales partículas son fotones, partículas Z, gluones y gravitones. Quizás tres neutrinos. Todas las demás partículas tienen antipartículas separadas que tienen la misma masa pero la carga eléctrica opuesta. Un neutrón es un ejemplo de una partícula eléctricamente neutra que no es una antipartícula de sí misma. Como un protón, un neutrón tiene más quarks que antiquarks, y un antineutrón tiene más antiquarks que quarks.

Para las partículas que no sean antipartículas, los nombres de las antipartículas suelen ser bastante obvios (antiquark superior, antineutrino, antitau), con la excepción del antielectrón, que generalmente se denomina positrón.

¿Por qué es tan famosa la antimateria? ¿Por qué suena tan misterioso? Todo esto gracias a la afirmación "la materia y la antimateria se aniquilan en energía pura". Esta declaración suena genial, pero no es grave. No está del todo mal, pero tampoco es cierto. La realidad es más compleja y no tan sorprendente.

Por simplicidad, los físicos a menudo omiten el prefijo "anti", cuando es obvio por el contexto. Ejemplos:

• En muchos procesos, aparecen el muón y el antimuón. Los físicos a veces llaman a esto el "par de muones".
• Una partícula W se descompone en un quark superior y un antiquark inferior, y a menudo se dice que se descompone "en quarks".

Aniquilación de partículas y antipartículas.

La aniquilación de partículas y antipartículas dedica muchos materiales, suena misterioso, aterrador y fantástico, pero estos son los principales procesos que tienen lugar en el corazón de la física de partículas, y tal descripción conduce a frecuentes malentendidos. Quiero describir algunas reglas básicas que determinan si una partícula y antipartícula de un tipo se convierten en otro par de partículas y antipartículas, acercándose entre sí. Esta no es una historia completa de aniquilación de partículas y antipartículas, sino un buen comienzo.

En un mundo como el nuestro, controlado por la mecánica cuántica y la relatividad de Einstein, existe un teorema matemático: para cada tipo de partícula hay un tipo correspondiente de antipartícula con exactamente la misma masa. Esto no es solo un teorema: para todas las partículas conocidas, las antipartículas se obtuvieron experimentalmente, por lo que no hay nada de qué discutir.

Sin embargo, algunas partículas coinciden con las antipartículas: la antipartícula para un fotón (partículas de luz) será un fotón. Lo mismo será para la partícula Z y la partícula de Higgs. Por otro lado, un electrón con una carga eléctrica negativa (por definición) tiene una antipartícula, anti-electrón o positrón, con una carga positiva. Casi todas las partículas conocidas tienen esto: un muón tiene un antimuón, un quark superior tiene un antiquark superior, una partícula W con una carga positiva tiene una antipartícula W con una negativa.

Si reúne una partícula y una antipartícula, casi todas sus propiedades se destruyen mutuamente. Por ejemplo, la carga eléctrica de un muón (un primo pesado de un electrón) más la carga eléctrica de un antimuón será cero. El primero es negativo, el segundo es positivo, pero son iguales en tamaño. Lo único que no se destruye es su masa y energía. Es cierto que esta afirmación es un pequeño truco. La masa no está "conservada": puede aparecer y desaparecer , lo cual es muy bueno para la física de partículas. Lo único que no irá a ningún lado es la energía. Se ahorra energía: con lo que comenzaste, con esto terminarás.

1. Muón y antimuón se convierten en dos fotones.

Supongamos que tengo una caja de zapatos en la que no hay nada más que muones y antimuones que están prácticamente en reposo. Entonces la energía dentro de la caja es igual a la energía de la masa del muón y la energía de la masa del antimuón. ["Prácticamente" - porque omito el campo eléctrico entre el muón y el antimuón, pero este es un efecto muy pequeño que puede ignorarse en nuestro caso.] Suponga que la masa del muón es M, entonces la energía de la masa del muón será M c ² , y lo mismo será cierto para antimuon. El momento de ambas partículas será cero, porque no se mueven. La energía total E y el momento p en la caja son inicialmente

$$

$$E_ {inicial} = 2 M c ^ 2 \\ p_ {inicial} = 0$$

Todo lo demás en la caja es cero: la carga eléctrica total, el momento angular, etc. Solo energía. Y la masa, pero están conectados entre sí.

Como casi todo se aniquila mutuamente, la partícula y la antipartícula pueden transformarse a través de una de las cuatro interacciones conocidas en otra partícula y su antipartícula. Por ejemplo, un muón y un antimuón pueden convertirse en un fotón y un segundo fotón (recuerde, el fotón es en sí mismo una antipartícula). Ambos fotones tendrán energía, pero ¿cuánto? Bueno, los fotones serán los mismos, y tendrán la misma energía, y dado que se almacena, la energía final total será la misma que la inicial total:

$$

$$E_ {fotón} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {inicial} = M c ^ 2 = E_ {muón}$$

Preste atención a lo que acaba de suceder: comenzamos con partículas masivas, cada una de las cuales no se movía y no tenía la energía del movimiento, pero tenía la energía de la masa M c ² . Y terminamos con dos partículas sin masa, sin energía de masa, pero con una energía de movimiento igual a la energía de masa de los muones:
M c ² . Ver fig. 1)


Fig. 1

Además, los fotones tendrán pulsos. Pero el momento de los dos fotones se dirigirá de manera opuesta y se destruirá mutuamente, de modo que el impulso total será cero.

$$

$$p_ {final} = p_ {inicial} = 0$$

Tenga en cuenta que la energía se conserva, el momento se conserva, pero la masa no. La masa resultante es cero, aunque la masa inicial es de 2 M.

2. El muón y el antimuón se convierten en un electrón y un anti-electrón.

Reacción simple:

$$

$$partícula_1 + antipartícula_1 \ rightarrow partícula_2 + antipartícula_2$$

no solo un posible proceso para aniquilar una partícula y una antipartícula, sino también muy común. Veamos otra opción para la partícula 2.


Fig. 2

En lugar de convertirse en dos fotones, el muón y el antimuón pueden convertirse en un electrón y un positrón (anti-electrón), como en la Fig. 2. Ambos tendrán la misma masa; vamos a llamarla m. La masa de un electrón es aproximadamente 200 veces menor que la masa del muón M. Lo que el muón y el antimuón se convertirán en fotones o un par electrón / positrón determina la aleatoriedad, pero con la probabilidad descrita por las ecuaciones de la mecánica cuántica.

La misma lógica que antes nos lleva a la misma conclusión. Tendremos simetría, un electrón y un positrón, con la misma masa, la misma energía, y gracias a la ley de conservación, la energía total debería ser la misma que la energía inicial del muón.

$$

$$E_ {electron} = E_ {positron} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {initial} = M c2 = E_ {muon}$$

La situación es un poco diferente: comenzamos con partículas inmóviles masivas que no tienen energía de movimiento y tienen energía de masa M c ² . Y terminamos con dos partículas masivas, cada una de las cuales tiene una energía de masa mc ² y mucha energía de movimiento, y la energía total de un electrón es igual a la energía de la masa del muón M c ² . Nuevamente, el impulso electrónico se destruye mutuamente con el impulso positrónico:

$$

$$p_ {final} = 0$$

Por supuesto, sus cargas eléctricas se destruyen mutuamente. No había ningún cargo en la caja antes de la transformación, no hay ninguno después. La energía se conserva nuevamente, se conserva el impulso, se conserva la carga, pero no la masa. La masa inicial fue de 2M y la masa final fue de 2m.


Fig. 3

3. El electrón y el antielectrón se convierten en dos fotones.

Un electrón en reposo y un positrón pueden convertirse en dos fotones, como un muón y un antimuón. Todos los cálculos se pueden llevar a cabo, reduciendo el problema al caso de los muones, simplemente reemplazando M en todas partes con m. No hay diferencia (compare la Fig. 1 y la Fig. 3).

4. ¿Pueden un electrón y un antielectrón convertirse en muón y antimuón?

No y si. La respuesta depende de la pregunta:

• No, si el electrón y el positrón están inicialmente en reposo. No tienen suficiente energía para crear un muón y un antimuón, por lo que este proceso no sucederá.
• Sí, si el electrón y el positrón tienen altas energías de movimiento y chocan muy fuertemente. Un proceso puede ocurrir mientras tienen suficiente energía.

Primero, asegurémonos de que si el electrón y el positrón están en reposo, no tienen la energía del movimiento, no podrán convertirse en muones y antimuones. La lógica es simple: solo necesitamos volver al problema anterior, en el que el muón y el antimuón se transformaron en un electrón y un positrón, y en todas partes reemplazamos el muón con un electrón, el antimuón con un positrón, M con m. Resultará:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {initial} = m c ^ 2 = E_ {electron}$$

Pero esto es imposible! El muón tiene una energía de masa M c ² , más energía positiva de movimiento. M> m. Resulta una contradicción:

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 + "energía de movimiento" ≥ M c ^ 2> m c ^ 2$$

La energía del muón no puede ser igual a mc ² , como lo requiere la conservación de la energía, ya que M> m. Hay que admitir que este proceso no puede suceder.


Fig. 4 4

Sin embargo, es precisamente por eso que este intento no funciona y nos dice cómo lograr lo que queremos. No es necesario considerar el electrón en reposo y el positrón. Aceleremos, casi a la velocidad de la luz, para que su energía de movimiento sea muy grande y la energía total (energía de masa y energía de movimiento) sea notablemente mayor que mc ² . Por simplicidad, imagine que su energía inicial se ha convertido en igual a M c ² . Luego, la energía inicial total en la caja será de 2 M c ² , y para que el proceso avance, la ley de conservación requiere:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {initial} = M c2 = E_ {electron}$$

Lo que no contradice los requisitos de la ecuación anterior.

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 + "energía de movimiento" ≥ M c ^ 2> m c ^ 2$$

La energía del electrón y el positrón es apenas suficiente para crear el muón y el antimuón en reposo (Fig. 5).


Fig. 5 5

Si hacemos que la energía del electrón y el positrón sea aún mayor, podemos crear el muón y el antimuón. El exceso de energía se convertirá en la energía de movimiento del muón y el antimuón, ver Fig. 6)

Tenga en cuenta que la masa no se conserva nuevamente, aunque se conserva la energía. En este caso, la masa aumentó, de 2m a 2M. ¡Esto es muy importante para la física de partículas! Esta es una de las principales técnicas que utilizamos para descubrir nuevas partículas. Chocamos la partícula y la antipartícula con grandes energías de movimiento, esperando que se conviertan en una partícula pesada, sin precedentes antes, junto con su antipartícula.


Fig. 6 6

Resumen

• Una partícula estacionaria y su antipartícula pueden aniquilarse, dando lugar a una partícula y antipartícula, si la partícula inicial es más pesada que la final.
• Una partícula estacionaria y una antipartícula no pueden aniquilarse, dando lugar a una partícula y una antipartícula si la partícula final es más pesada que la inicial.
• Una partícula que se mueve entre sí y su antipartícula puede aniquilarse, dando lugar a una partícula y antipartícula más pesadas si tienen suficiente energía de movimiento.
• Si la suma de la energía de masa y la energía de movimiento de partículas es igual a la energía de masa de una partícula más pesada, entonces la partícula pesada y la antipartícula resultantes estarán inmóviles.
• Si la suma de la energía de la masa y la energía de movimiento de la partícula es mayor que la energía de la masa de la partícula más pesada, entonces el exceso de energía se convertirá en la energía de movimiento de la partícula más pesada y la antipartícula.