¿Por qué la materia/antimateria solo produce rayos gamma?

A nivel de árbol, una reacción de aniquilación de materia-antimateria no solo produce rayos gamma, ni puede excluir neutrinos en el estado final.

Incluso la reacción más simple puede, dada la energía suficiente, producir una variedad de pares de partículas. Sin embargo, esos pares están sujetos a dos procesos posteriores:

1. Si las partículas no son estables, decaerán hacia partículas más ligeras y estables, llegando finalmente a electron-positrones, nucleones/anti-nucleones y neutrinos/antineutrinos.

2. Las antipartículas en el estado final (exceptuando algunos de los antineutrinos) que no se descomponen eventualmente encontrarán alguna partícula correspondiente para aniquilarlas.

Entonces, si esperamos un poco, el estado final de la aniquilación serán los fotones (principalmente en la banda gamma, pero también es posible que algunos de baja energía) y los neutrinos (tanto materia como antimateria (o tanto diestros como zurdos si los neutrinos son de naturaleza Majorana)).

Los neutrinos a menudo se ignoran porque, a efectos prácticos, no tienen otro efecto que el de alejar la energía y el impulso de la interacción.

En el campo de la PET (tomografía por emisión de positrones), la gente tiende a NO llamar al producto de la aniquilación "rayos gamma", sino "fotones de aniquilación". Si bien esa puede ser una distinción sutil, la opinión es que un "rayo gamma" es emitido por un núcleo, mientras que un "fotón" es un término más general que se usa para un cuanto de energía electromagnética. Pero según Wikipedia , la definición/uso del término parece depender del campo:

La radiación electromagnética de la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos se denomina "rayos gamma" independientemente de su energía, por lo que no existe un límite inferior para la energía gamma derivada de la desintegración radiactiva . Esta radiación comúnmente tiene una energía de unos pocos cientos de keV, y casi siempre menos de 10 MeV. En astronomía, los rayos gamma se definen por su energía y no es necesario especificar ningún proceso de producción. Las energías de los rayos gamma de fuentes astronómicas oscilan por encima de los 10 TeV, una energía demasiado grande para resultar de la desintegración radiactiva.[1]

(Énfasis mío).

Entonces, dependiendo del campo, un fotón se llama rayo gamma si tiene una energía superior a 100 keV o si se produce por desintegración nuclear. Creo que ningún proceso de aniquilación producirá cuantos de menos de 100 keV, pero como señaló @dmckee en su respuesta, hay aniquilaciones en las que se pueden crear otras partículas (por ejemplo, neutrinos).

Puede preguntar "¿por qué no menos de 100 keV?". Eso tiene que ver con la masa de las partículas. En el caso de pares electrón/positrón, su masa combinada es equivalente a 1022 keV (2 x 511 keV). Y si toda la materia desaparece, todo tiene que convertirse en energía. Es posible , aunque poco probable, que una aniquilación produzca más de dos fotones; vea esta respuestay enlaces en el mismo. Esto menciona que el par electrón-positrón se aniquilará en tres fotones en aproximadamente 1/370 de todas las aniquilaciones. No puedo encontrar una descripción de la distribución de energía en ese caso, pero me imagino que la probabilidad de que uno de estos fotones tenga una energía inferior a 100 keV sería muy pequeña, especialmente en el marco de comunicaciones de la aniquilación (por supuesto, cuando sus dos partículas viajan cerca de la velocidad de la luz en relación con el observador, pueden ocurrir cosas locas con las energías de las partículas observadas) . Lett B, volumen 157, números 5–6, 25 de julio de 1985, páginas 357-360 a las que lamentablemente no tengo acceso sin entregar $39,95...

La cantidad de energía a emitir es enorme ($2mc^2$más la energía cinética), por lo que las energías emitidas por fotón serán al menos la masa en reposo del electrón, que es la mitad de GeV (sin contar algunos desplazamientos al rojo extremos e improbables debido al movimiento del punto de colisión con respecto al observador). Y eso está bien en el espectro gamma.

Para ampliar el comentario de @ACuriousMind, considere un par electrón-positrón tal que su centro de masa esté en reposo. Dado que la energía y el momento se conservan en el proceso de aniquilación, los fotones resultantes se emitirán en direcciones opuestas con una energía$E = m_e = 511\ \text{keV}$cada uno (unidades tales que$c = 1$). Si, en cambio, el par está en movimiento, un fotón se desplazará hacia el azul y el otro hacia el rojo.

Sin embargo, para desplazar al rojo una$511\ \text{keV}$fotón a par$100\ \text{keV}$requiere velocidades fuertemente relativistas$v > 0.95c$; para llegar a$10\ \text{keV}$necesitas$v > 0.999c$. Ahora bien, si el electrón es parte del "entorno", está aproximadamente en reposo con respecto al sistema de laboratorio, por lo que el positrón debe estar moviéndose cerca de$c$en relación con el electrón si vamos a observar algo más que$\approx 511\ \text{keV}$.

Pero a medida que aumenta la velocidad relativa, la sección transversal para la aniquilación disminuye con bastante rapidez . Para las velocidades antes mencionadas,$\gamma \approx 3, 22$para que pueda ver que se suprime la aniquilación de positrones relativistas. Por lo tanto, no esperamos ver muchos fotones que no tengan energías cercanas a$511\ \text{keV}$.

Es posible.

La regla es sencilla: la energía total (que es al menos mc^2, m la suma de ambas masas) se convertirá en otras partículas (fotones o par partícula-antipartícula). Por lo tanto, es posible que un fotón capte solo muy poca energía (por ejemplo, si tiene muchos fotones, lo cual es posible, incluso muy poco probable).

Creo que está escrito así, ya que en su mayoría , lo que significa que probablemente alrededor del 99,9% del tiempo, se desintegra en fotones de alta energía.

Si está interesado, haga los cálculos usted mismo: la energía total en el LHC es actualmente de alrededor de 13 TeV. ¿Cuántos fotones se requieren para que la energía media sea menor que la energía gamma? (y por cierto, por cada fotón agregado, la probabilidad disminuye en un factor de 1/100 aproximadamente)

La razón principal es que el par de partículas/antipartículas común más ligero es el electrón/positrón. Cuando chocan, el resultado abrumadoramente más probable es la emisión de fotones. El electrón y el positrón pesan 511 kev, por lo que cuando se aniquilan, hay 1,02 MeV de energía. Entonces cada fotón tiene 511 kev. Los fotones con esta energía son rayos gamma. Otros fotones, como la luz visible, los rayos X, las ondas de radio, etc., son fotones de menor energía.

::: La pregunta tenía algunas suposiciones simples, por lo que la respuesta completa pero sinóptica anterior también tenía algunas suposiciones simples. A continuación se presentan algunas discusiones más matizadas de temas relacionados para aquellos que se molestan por los detalles omitidos o pasados ​​por alto anteriormente. (Me disculpo de antemano si me olvido a continuación de mencionar un matiz de particular interés para usted).

1) ¿Por qué dos fotones y no uno? El electrón y el positrón tienen carga opuesta, espín opuesto, etc. En el punto de aniquilación, el sistema tiene 0 para la mayoría de las variables cuánticas (excepto masa-energía). Por lo tanto, nos queda un pequeño paquete de energía (instantánea) con número bariónico 0, leptón número 0 carga 0, ... Si se emitiera un solo fotón, el fotón tendría un espín de 1, por lo que no conservaría el espín. Entonces (al menos) se emiten dos fotones y tendrán giros opuestos. Es decir, la emisión de un solo fotón está prohibida por las leyes de conservación combinadas de espín y momento.

2) ¿Por qué no más de dos fotones? Bueno, podrías tener 3 fotones. De hecho, si el electrón y el positrón tienen el mismo espín (o, más precisamente, están en un estado de espín 1), se requieren al menos tres fotones. El conjunto saliente de fotones debe tener un giro neto de 1. Esto solo puede ocurrir con un número impar de fotones. Sin embargo, la emisión de 1 fotón es imposible desde el punto de vista de la conservación del momento. Esto se puede ver mirando el centro del sistema de masas. En ese marco, el momento total es cero, por construcción. Sin embargo, un fotón siempre tiene un impulso de Energía/c. Entonces, las condiciones de antes y después no pueden conservar el impulso si solo se emite un fotón, es decir, es un canal prohibido. Entonces, el sistema de preaniquilación de giro 1 debe tener (al menos) 3 fotones. Ahora, en principio, podríamos tener más de 3 fotones emitidos, pero es mucho menos probable. Porque para emitir 4 fotones (para el estado de espín 0 e-/e+) o 5 fotones (para el estado de espín 1 e-/e+) el operador de vértice efectivo es de un orden mucho mayor y, por lo tanto, es suprimido por otros 2 órdenes del parámetro de acoplamiento . Por lo tanto, son mucho, mucho menos probables (pero aún posibles)

3) Se pueden crear muchas cosas, no solo fotones. Bueno, sí. Pero la energía disponible para el sistema e-/e+ es de solo 1 MeV, por lo que solo se pueden crear partículas con energía < 511 KeV en los fotones de la capa (es decir, partículas reales, no partículas virtuales) y todas las partículas de masa cero se ajustan a esa factura. Pero no hay muchos disponibles. Por ejemplo, es posible la creación de un par de neutrino/anti-neutrino, pero la probabilidad es muy pequeña dada la fuerza relativa de la fuerza débil frente a la fuerza EM en esa escala de energía. Casi todas las aniquilaciones de e-/e+ conducen a fotones. Un número muy, muy pequeño conduce a los neutrinos. Entonces, en la práctica, buena suerte haciendo ese experimento. La sección transversal podría ser demasiado pequeña para tener alguna esperanza de medirla.

4) Pero hay otras posibilidades de aniquilación de materia/antimateria más allá de e-/e+ Sí. buen punto. protón/anti-protón por ejemplo u "otras cosas". En esos casos, el análisis estándar es considerar la creación a partir de la aniquilación de partículas de menor masa. Entonces, por ejemplo, la aniquilación de protones/antiprotones puede conducir a la creación de pares e-/e+. Además, uno puede acelerar "cositas" para la aniquilación donde el centro de energía de la masa es mucho más alto que la masa en reposo. Un pseudoátomo e-/e+ en un estado ligado similar al hidrógeno solo tendrá alrededor de 1 MeV de energía disponible después de la aniquilación. Sin embargo,

5) Muchos productos están sujetos a varias fuerzas y, a menudo, se recombinan. Por lo tanto, para los fotones salientes, esto es muy limpio. Aniquilas la materia y la antimateria, emites fotones que no interactúan y viajan hacia el exterior, agradable y simple. Suponga que emite un quark y un antiquark. Bueno, continuarán tirando unos de otros e incluso interactuarán con sus gluones mediadores de fuerza y, por lo tanto, pueden tener un comportamiento posterior a la aniquilación mucho más complejo que conduzca a cosas como chorros de partículas.

Ahora, si has llegado tan lejos, te mereces un buen regalo de limón por perseverar. Considere el caso gravitacional. ¿Qué sucede cuando un agujero negro de materia y antimateria chocan? Por ejemplo, dos miniagujeros negros del tamaño de la masa de Planck: un rompecabezas interesante que (todavía) no estropearé con una respuesta. disfrutar.