¿Las partículas y las antipartículas se atraen entre sí?

Desde la comprensión muy básica de que se crean mutuamente de la nada y chocan para aniquilarse entre sí, parece indicar que esto sucede debido a una atracción.

¿Por qué? esto solo significa que si dos de ellos están cerca, pueden aniquilar. Recuerde que las partículas son ondas y, por lo tanto, están bastante dispersas. No es necesario dirigirlos para que choquen entre sí usando ningún tipo de fuerza, solo deben estar cerca uno del otro.

Además, son exactamente iguales excepto por su carga opuesta.

No es verdad. Los pares de partículas y antipartículas tienen la misma masa y espín/isospín (creo), pero tienen carga opuesta, número de bariones, número de leptones, extrañeza, encanto, fondo (y probablemente más cosas).

Tampoco es obligatorio que tengan carga contraria. Ambos pueden ser neutrales. Por ejemplo, el neutrón y todos los neutrinos tienen antipartículas distintas, al igual que el kaón neutral (dando lugar al extraño símbolo$\bar{K}^0$). El antikaon neutral tiene una extrañeza de +1, mientras que el kaon neutral tiene una extrañeza de -1. (La extrañeza es una propiedad con un nombre bastante caprichoso debido a la observación de que ciertas partículas "extrañas" siempre aparecían en pares o no aparecían en absoluto). Dicho esto, hay partículas que son su propia antipartícula (mesones pi-0 y todos los bosones de calibre neutro: fotones, gluones, Z, Higgs, gravitones)

Dicho esto, solo hay cuatro fuerzas (enumeradas en orden creciente de fuerza)

• Gravedad.
• Electromagnetismo. Tenga en cuenta que la fuerza que se siente al empujar una pared (fuerza de reacción normal) o cuando dos bolas chocan es una manifestación de esta fuerza, ya que lo que realmente sucede es que las nubes de electrones de los átomos se repelen. Muchas personas usan esta "fuerza de colisión" cuando piensan en partículas, y esto es incorrecto. Las partículas no chocan, solo pueden intercambiar otras partículas (además de absorberse/emitirse entre sí).
• Fuerza nuclear débil: se manifiesta en desintegraciones beta.
• Fuerza nuclear fuerte: mantiene unidos a los átomos. Da boom-boom en explosiones nucleares.

Para un par partícula-antipartícula, normalmente habrá algún tipo de fuerza, y sí, normalmente será atractiva. Pero la fuerza se puede clasificar en los cuatro dados anteriormente. Dado que la gravedad es débil y siempre actúa, la estoy descuidando aquí:

• Par de hadrones neutros (neutrón, kaón, etc): Estos tienen la fuerza fuerte entre ellos. También hay un poco de la fuerza nuclear débil, aunque no es necesariamente atractiva.
• Par de hadrones cargados (protones, piones, etc): Aquí actúa tanto la fuerza EM como la fuerza fuerte, pero la fuerza fuerte es de atracción
• Par de leptones similares a electrones (e,$\mu$,$\tau$): Tiene atracción EM así como la fuerza débil. La fuerza débil no es atractiva ni repulsiva, y domina. Entonces, un par electrón-positrón no necesita atraerse todo el tiempo
• Par de neutrinos ($\nu_e$,$\nu_{\tau}$, etc): Solo la fuerza débil, no necesita atraer
• Par de quarks (u,d,c,s,&c): fuerza fuerte, fuerza EM, un poco de fuerza débil, atraerán
• Para los bosones de calibre, se vuelve un poco complicado.

Entonces sí, podemos ver que prevalece una fuerza de atracción general, pero no en todos los casos, y no debido al mismo fenómeno.

¿Por qué no necesitan estar cerca?

(Anexo de los comentarios a continuación)

La mecánica cuántica tiene un buen concepto llamado dualidad onda-partícula. Cualquier partícula puede expresarse como una onda. De hecho, ambos son equivalentes. ¿Exactamente qué tipo de ola es esta? Es una onda de probabilidad. Con esto, quiero decir que rastrea las probabilidades.

Daré un ejemplo. Digamos que tienes un amigo, A. Ahora, en este momento, no sabes dónde está A. Podría estar en casa o en el trabajo. Alternativamente, podría estar en otro lugar, pero con menor probabilidad. Entonces, dibujas un gráfico en 3D. Los ejes x e y corresponden a la ubicación (para que puedas dibujar un mapa en el plano xy), y el eje z corresponde a la probabilidad. Su gráfico será una superficie lisa, que parecerá una especie de dunas de arena en un desierto. Tendrás "jorobas" o dunas en la casa de A y en el lugar de trabajo de A, ya que existe la máxima probabilidad de que esté allí. Podrías tener jorobas más pequeñas en otros lugares que frecuenta. Habrá probabilidades pequeñas, pero finitas, de que esté en otro lugar (por ejemplo, en un país diferente). Ahora, digamos que lo llamas y le preguntas dónde está. Dice que va de camino a casa desde el trabajo. Entonces, su gráfico se reconfigurará, de modo que tenga "crestas" a lo largo de todos los caminos que probablemente tomará. Ahora, te llama cuando llega a casa. Ahora, dado que sabe exactamente dónde está, habrá un "pico" con probabilidad 1 en su casa (suponiendo que su casa sea del tamaño de un punto, de lo contrario habrá una joroba alta). Cinco minutos después, decide volver a dibujar la gráfica. Ahora estás casi seguro de que está en casa, pero es posible que haya salido. No puede ir muy lejos en 5 minutos, así que dibujas una joroba centrada en su casa, con pendientes afuera. A medida que pasa el tiempo, esta joroba se aplanará gradualmente. con probabilidad 1 en su casa (suponiendo que su casa sea del tamaño de un punto, de lo contrario habrá una joroba alta). Cinco minutos después, decide volver a dibujar la gráfica. Ahora estás casi seguro de que está en casa, pero es posible que haya salido. No puede ir muy lejos en 5 minutos, así que dibujas una joroba centrada en su casa, con pendientes afuera. A medida que pasa el tiempo, esta joroba se aplanará gradualmente. con probabilidad 1 en su casa (suponiendo que su casa sea del tamaño de un punto, de lo contrario habrá una joroba alta). Cinco minutos después, decide volver a dibujar la gráfica. Ahora estás casi seguro de que está en casa, pero es posible que haya salido. No puede ir muy lejos en 5 minutos, así que dibujas una joroba centrada en su casa, con pendientes afuera. A medida que pasa el tiempo, esta joroba se aplanará gradualmente.

Entonces, ¿qué he descrito aquí? Es una función de onda (técnicamente el módulo al cuadrado de una función de onda), o la naturaleza de "onda" de una partícula. La función de onda puede reconfigurarse y también "colapsar" a un "pico", según los datos que reciba.

Ahora, todo tiene una función de onda. Tú, yo, una casa y partículas. Usted y yo tenemos una función de onda muy restringida (debido a la pequeña longitud de onda, pero no entremos en eso), y rara vez (léase: nunca) tenemos que tener en cuenta la naturaleza de la onda a escalas normales. Pero, para las partículas, la naturaleza ondulatoria se convierte en parte integral de su comportamiento.

En el siguiente párrafo estoy simplificando algunas cosas con las funciones de onda y descuidando parte de su naturaleza solo para que mi trabajo sea más fácil.

Volvamos al problema. Ahora, nuestra partícula y antipartícula son ambas ondas. Tienen una pequeña joroba, pero pueden extenderse bastante. Ahora, estas ondas se acercan unas a otras. Recuerde, el valor de la onda (en realidad, el cuadrado de su módulo, ya que una función de onda es un número complejo) da la probabilidad de que podamos encontrar una partícula en un punto. Si las funciones de onda son$\Psi_1(x,y),\Psi_2(x,y)$, la probabilidad de encontrar ambas partículas en el mismo punto será$\Psi_1(x,y)\times\Psi_2(x,y)$(reglas de probabilidad normales). Ahora, tiene un montón de puntos donde existen ambas funciones de onda (infinitas en realidad, y técnicamente ambas funciones de onda están repartidas por todo el universo, pero estoy descuidando eso). Sumando estas probabilidades

Entonces, incluso si parte de las dos funciones de onda se superponen, existe una probabilidad no trivial de que se anulen entre sí. Como dije, las funciones de onda en realidad cubren todo el espacio, pero si descuidamos esas partes (son extremadamente pequeñas), entonces el "tamaño" de la onda sigue siendo bastante grande. Entonces, un par de partículas/antipartículas no necesita estar demasiado cerca para aniquilarse.

En la física de partículas, la versión microcosmos de la física cotidiana, tenemos cuatro fuerzas "conocidas".

1) gravitacional: una fuerza de atracción, dependiendo de la masa.

2) electromagnético

estos dos tienen también manifestaciones macroscópicas.

3) débil que aparece en desintegraciones de partículas

4) fuerte que es la fuente de las fuerzas nucleares y une los quarks en nucleones

Todas estas fuerzas intervienen cuando dos partículas elementales se encuentran y lo que sucede cuando interactúan depende de la energía que tengan y de los números cuánticos que porten. Hay cálculos específicos que se pueden hacer sobre los resultados probables de la interacción.

Tomemos un electrón y un positrón, antipartículas entre sí. La fuerza eléctrica entre ellos es atractiva; En particular, si la energía es demasiado pequeña, se aniquilan en dos fotones. Si se les da suficiente energía, aún se aniquilan, y uno de los posibles resultados, como se muestra en el primer diagrama , es en un par de quarks y antiquarks a través de un fotón intermediario. Se pueden hacer y se hacen muchos y varios diagramas de este tipo. Calificar la interacción como atractiva es la menor de sus cualidades.

Cuando un antiprotón se encuentra con un protón, la fuerza eléctrica es atractiva, pero una vez dentro de las distancias nucleares, aparece la fuerza fuerte y domina mediante la aniquilación de quarks. Una vez más, tiene poco significado llamarlo "una fuerza atractiva". La energía de la interacción y los números cuánticos de los productos de descomposición son los que dominan la descripción de la interacción.

En general, "fuerza" en física de partículas significa la posible partícula intercambiada en los diagramas de Feynman que describen la interacción. Atractivo o repulsivo no es un buen calificativo. Por ejemplo, en el LHC, uno está dispersando protones sobre protones y obtiene como salida todo el zoológico de partículas del modelo estándar. ¿Qué significado tiene el calificativo "repulsivo" que darían las fuerzas macroscópicas entre dos cargas positivas?