¿Por qué el par electrón-positrón se aniquila al contacto?

Apreciaré la explicación de un profano, si existe, a esta pregunta que surgió al leer un artículo de divulgación científica sobre Einstein y el mi = METRO C 2 ecuación.

Lo que quiero decir es que, ¿por qué el producto de la reacción no es un doblete de masa eléctricamente neutro? 2 METRO mi (= 1,022 MeV) y cuáles son las cargas opuestas que mantienen a las dos partículas atraídas entre sí?

De hecho, puede obtener ese producto: en.wikipedia.org/wiki/Bhabha_scattering . Si la energía de la colisión es suficiente, también puede tener productos como mi + mi m + m

Respuestas (4)

Una explicación para un profano.

Un átomo de hidrógeno existe debido a la mecánica cuántica, y no a la mecánica clásica. En mecánica cuántica existen niveles de energía donde el electrón del átomo de hidrógeno, que tiene una masa minúscula con respecto al protón, sólo puede ocupar niveles de energía fijos alrededor del protón. El más bajo es el estado fundamental y no es cero, lo que permite la existencia del átomo de hidrógeno. De lo contrario, si solo tuviéramos la teoría clásica, el electrón caería sobre el protón y no sería posible ningún átomo de hidrógeno. En el estado fundamental cuántico, el electrón no tiene suficiente energía para convertir un protón en un neutrón, la conservación de la energía evita la desaparición.

Aún así, en la mecánica cuántica, que es una teoría probabilística, puede existir una pequeña probabilidad de que la función de onda del electrón se encuentre con un quark dentro del núcleo del protón e interactúe, con el efecto de destruir el átomo de hidrógeno. La probabilidad es tan pequeña que puede ignorarse.

En contraste, el "átomo" de positronio tiene niveles de energía como el hidrógeno, y es por eso que lo observamos, pero las probabilidades de que el electrón y el positrón en el estado fundamental se superpongan son enormes, porque tienen masas iguales e interactúan principalmente con el electromagnético. campo, y una vez que el positrón alcanza el estado fundamental (que corresponde matemáticamente al estado fundamental del electrón de hidrógeno) se superpone con el electrón y se aniquila porque ese es el resultado más probable.

Todo es cuestión de tamaños de constantes que describen las interacciones y leyes de conservación, cuyos detalles necesita estudiar para comprender.

No estoy muy contento con esta respuesta, porque los átomos de hidrógeno en estado fundamental tienen una expectativa distinta de cero de que el electrón esté dentro del protón ( después de todo, es una onda s), lo que evita la reacción. mi + pag norte + v es energía insuficiente.
@dmckee Pensé que cubrí eso con mi pequeño comentario de probabilidad. La probabilidad de onda S con el protón no es suficiente ya que el protón es compuesto, y estaba pensando en las líneas de desintegración de protones como combinaciones. Editaré tu comentario de energía, gracias.

Ya que pediste una explicación sencilla, intentaré darte una que se ciña a lo básico (por ejemplo, sobre lo que aprendí en la escuela secundaria) y espero que no sea demasiado básica. También voy a antropomorfizar las partículas subatómicas ya que hace que la explicación sea más rápida :)

La idea básica es que las dos partículas se aniquilan porque pueden, y cada vez que algo puede decaer, eso probablemente sucederá. Esto se debe en gran parte a la combinación de dos conceptos físicos: estados de energía mínima y conservación de estados cuánticos.

La primera parte dice, en esencia, que las partículas "prefieren" estar en el estado de masa y energía más bajo posible. Siempre que tienen "demasiada" masa o energía, intentan arreglarla decayendo. Esta es la razón por la que las partículas de gran masa, como las que se crean en los enormes colisionadores de partículas, se descomponen tan rápidamente. Aunque la masa y la energía son equivalentes, por varias razones, la energía es "preferida" a la masa cuando una partícula decide qué forma tomar.

La partícula de masa más baja que conocemos es el fotón: tiene masa cero y está hecha completamente de energía. Entonces, otras partículas son bastante rápidas para emitir y/o convertirse en fotones si pueden. Esta es la razón por la que las bombillas brillan: los electrones emiten parte de su propia energía en forma de fotones para que puedan estar en el estado de energía más bajo posible.

La segunda idea, sin embargo, dice que ciertas cantidades sobre un sistema nunca pueden cambiar. Probablemente haya oído hablar de la "conservación de la energía" o la "conservación del impulso", pero se conservan muchas cantidades físicas, incluida la carga. Para que un electrón se desintegre en algo, ese objeto debe tener todas las mismas cantidades conservadas, pero menos masa, y simplemente no existe tal partícula. Un fotón es menos masivo, pero no tiene carga, por lo que no es una opción.

Ahora, introducimos un positrón. El positrón por sí solo tiene el mismo problema que el electrón: está cargado, por lo que no puede desintegrarse en un fotón. Pero tiene una carga positiva , que es exactamente el valor opuesto a la carga negativa del electrón. Me estoy saltando muchos detalles aquí, incluidas otras cantidades conservadas, pero deberías hacerte una idea. La clave es que, además de la masa, un positrón tiene exactamente el valor opuesto para cada una de esas cantidades conservadas como un electrón.

Cuando los dos chocan, todas esas otras cantidades conservadas se cancelan y se vuelven cero. Nos quedamos con solo un objeto con la masa combinada de las dos partículas originales. Ahora no hay razón para no decaer en fotones, así que eso es lo que sucede.

2 METRO mi sería para un par de partículas muy distantes donde la contribución de la energía potencial negativa a la masa total es insignificante. El positronio tiene una masa más pequeña y un positronio aniquilado tiene masa cero, por así decirlo.

Gracias. No estoy seguro de entender. ¿Qué está diciendo que al acercarse a las dos partículas, la energía potencial debe conservarse de alguna manera, y es por eso que no se puede formar una masa simple? Entonces, ¿por qué no liberar el exceso de energía en forma de luz y mantener solo la masa de 2Me?
"El positronio tiene una masa más pequeña" - ¿que qué?
Porque hay niveles de energía, como en el átomo de hidrógeno, pero que terminan con una masa total cero en el caso del positronio.
El positronio tiene una masa más pequeña que 2 METRO mi porque los niveles de energía son negativos: mi norte < 0 .
Si bien es técnicamente correcto, la energía de enlace del positronio es una perturbación de la masa en reposo del par electrón/positrón. Funcionalmente, la masa de positronio es 2 metro mi .
@Jerry Schrimer: si aumenta artificialmente el valor de la carga mi , los niveles de energía mi norte se vuelven cada vez más negativos y entonces no se les puede llamar "perturbadores" con respecto a 2 METRO mi . Quiero decir que el nivel de energía más bajo alcanzado en el positronio es igual a aproximadamente 2 METRO mi que corresponde a una especie neutra sin masa en la que se produce la recombinación (aniquilación) electrón-positrón ;-)
@Vladimir: No. Haz el cálculo. El nivel de energía más bajo del positronio es de unos pocos electronvoltios: en.wikipedia.org/wiki/Positronium#Energy_levels . La masa del electrón es 10 5 electronvoltios. Está introduciendo mucho menos del 1% de error al ignorar la energía de enlace.
El nivel de energía más bajo del que estás hablando es inestable. Por cierto, ¿cuál es la función de onda de una partícula con metro = 0 ?
En ese punto, no estás hablando de positronio, estás hablando de un aniquilado mi + mi par. Y sabes tan bien como yo que la imagen de la función de onda realmente no funciona para los fotones, y realmente deberías adoptar una imagen QFT
@Jerry Schrimer: No, no quise decir una función de onda de fotones sino una partícula no relativista con metro = 0 . ¿Podemos considerar un positronio aniquilado (aparte de los fotones) como una partícula de masa cero?
Clásicamente, si las partículas tienen separación cero, entonces tienen una energía de . El estado fundamental de QM a -6 eV aproximadamente ES el estado fundamental. El proceso de decaimiento es un proceso QED que necesita QED para analizar, y la aproximación de la función de onda ya no funcionará. No hay metro = 0 estado.
Hablo mecánicamente cuánticamente, no clásicamente. Esta bien me rindo.

El producto de la reacción es un doblete eléctricamente neutro de masa 2M (hasta correcciones de energía potencial insignificantes) en el que las cargas opuestas mantienen a las dos partículas atraídas entre sí. Este sistema electrón-positrón se llama "positronio". El positronio luego se descompone en fotones, porque el electrón y el positrón pueden aniquilarse en un volumen de longitud de onda Compton relativista cuando se acercan lo suficiente. El proceso de aniquilación es una interacción elemental, no sé cómo describirlo en términos más simples.