¿Por qué la aniquilación electrón-positrón prefiere emitir fotones?

Es posible, pero muy improbable. Puede obtener una pista de las probabilidades relevantes mirando los diagramas de Feynman para diferentes tipos de$e^+e^-$aniquilación. Aquí está$e^+e^-\to\gamma\gamma$:

La probabilidad de que esto ocurra (en realidad, la sección transversal) es proporcional a un factor de$g_\text{EM}$para cada vértice.$g_\text{EM}$es el acoplamiento electromagnético, que tiene un valor de alrededor de 0,3. Entonces, la probabilidad de todo el proceso se puede representar como proporcional a$\alpha_\text{EM} = \frac{g_\text{EM}^2}{4\pi} \approx \frac{1}{137}$.

Para la producción de neutrinos, por otro lado, el diagrama de Feynman más simple es este:

La probabilidad de esto es proporcional a dos factores del acoplamiento débil,$g_\text{weak}$, y$\alpha_\text{weak} = \frac{g_\text{weak}^2}{4\pi} \approx 10^{-6}$( fuente ). Entonces, este proceso es del orden de 10000 veces menos probable que la aniquilación en fotones. (De hecho, en realidad es aún menos probable que eso, porque a bajas energías, como señaló akhmeteli , la probabilidad se suprime aún más por un factor de$m_W^{-2}$, dónde$m_W$es la masa relativamente grande del bosón W.)

La gravedad es una fuerza aún más débil, por lo que esperaríamos que el diagrama correspondiente para la aniquilación en gravitones fuera mucho menos probable. Puedes estimar que$\alpha_\text{gravity} \approx 10^{-39}$. Pero en este caso, ni siquiera está claro qué tan bien los diagramas de Feynman describen el proceso, ya que no tenemos una teoría cuántica de la gravedad adecuada.

Tengo entendido que la aniquilación electrón-positrón con producción de neutrino-antineutrino es posible a cualquier energía, pero la sección transversal de tal reacción es extremadamente baja a baja energía. Mientras que la aniquilación electrón-positrón con la producción de dos fotones requiere un electrón virtual, la aniquilación electrón-positrón con neutrino-antineutrino solo es posible debido a la fuerza débil, por lo que requiere un bosón virtual W o Z (Phys. Rev. D, DA Dicus, v .6, p.941 (1972)). Las masas de estos bosones son cinco órdenes de magnitud mayores que la del electrón, por lo que la sección transversal es extremadamente pequeña a bajas energías. O, en otras palabras, la reacción es posible, pero muy posterior, ya que la fuerza débil es mucho más débil que la fuerza electromagnética a baja energía.

Se pueden crear todo tipo de partículas con varias probabilidades dependiendo de la energía de la colisión. La carga, el momento, la energía y el momento angular deben conservarse, por lo que normalmente verá resultados como pares de partículas y antipartículas. A energías más altas, hay muchos productos que son menos probables pero no imposibles:$D^+D^-$,$\nu\ \bar{\nu}$,$W^+W^-$,incluso el$Z^0$. El CERN construyó un acelerador completo, el LEP , dedicado a esta interacción.

EDITAR: en respuesta a un comentario a continuación sobre por qué se prefiere el decaimiento de fotones sobre el decaimiento de neutrinos: según tengo entendido, el$e^+e^-\rightarrow \nu\ \bar{\nu}$tiene un$W/Z$intermedio, por ejemplo$e^+e^-\rightarrow Z^*\rightarrow\nu\ \bar{\nu}$. El bosón es masivo, lo que suprime la probabilidad de este decaimiento.