¿Por qué una colisión partícula-antipartícula produce 222 fotones en lugar de 111?

Los fotones tienen impulso$p=\frac{E}{c}$(a pesar de no tener masa) Por lo tanto, para conservar el momento lineal, se forman múltiples fotones, moviéndose en diferentes direcciones. Además, los fotones se forman típicamente para colisiones de baja energía. Las colisiones de alta energía pueden dar lugar a la formación de partículas pesadas exóticas. Además, la aniquilación (o decaimiento) de un par electrón-positrón en un solo fotón puede ocurrir en presencia de una tercera partícula cargada a la que se puede transferir el exceso de impulso mediante un fotón virtual del electrón o del positrón.

Colocar$c=1$y denote la masa electrón/positrón por$m$. Supongamos que vamos al marco de reposo de la colisión, lo que siempre podemos hacer cuando consideramos partículas masivas. Entonces podemos escribir el 4-momento del electrón como$(E, \vec{p}) =(\sqrt{m^2 + \vec{p}^2}, p_x, p_y, p_z)$y el 4-momento del positrón como$(\sqrt{m^2 + \vec{p}^2}, -p_x, -p_y, -p_z)$.

En algún momento durante la colisión, el positrón y el electrón se aniquilarán bajo la formación de un fotón; sin embargo, por conservación de la cantidad de movimiento, si no sucede nada más, ese fotón tendrá una cantidad de movimiento 4$(E, \vec{p}) = (2 \sqrt{m^2 + \vec{p}^2},0,0,0)$. Esto significa que no está en el caparazón, ya que su energía y cantidad de movimiento no satisfacen$E = |\vec{p} |$. Por lo tanto, algo más tiene que suceder para que terminemos con partículas reales en lugar de virtuales.

Por el contrario, uno puede comenzar con un fotón energético en la capa con$E \geq 2m$. Ahora no podemos ir al marco de reposo del fotón, porque el fotón es una partícula sin masa. Así que supongamos que el fotón se mueve en la dirección z; entonces tiene 4 impulsos$(E,0,0,E)$. Si el fotón luego se descompone en un positrón y un electrón, uno podría pasar al marco de reposo del positrón o del electrón. En el marco de reposo del positrón (para mayor precisión), el positrón tendrá cuatro impulsos$(m, 0,0,0)$y por lo tanto el electrón tendrá cuatro momentos$(E-m, 0,0, E)$. Pero ahora puedes convencerte de que el electrón tampoco está en la capa, por lo que nuevamente tiene que suceder algún otro proceso para que todas las partículas salientes sean reales.

Tu comprensión es incorrecta.

Los experimentos LEP tuvieron colisiones de partículas contra partículas y produjeron al menos dos partículas como resultado, no solo dos. Aquí están las medidas publicadas de la multiplicidad recién cargada en LEP.

La razón por la que no pueden entrar en un fotón y necesitan al menos dos fotones se explica en la otra respuesta: para tener conservación de energía y momento en el centro de masa: el electrón y el positrón tienen una masa invariable en la suma de sus cuatro vectores mientras que un solo fotón no tiene masa: reductio ad absurdum.

Pueden entrar en una partícula masiva, como se ve en esta gráfica experimental de dispersión e+e:

pero no existen partículas estables, sólo resonancias que decaen, algunas en varios canales. El positronio es un estado ligado a muy baja energía durante un tiempo, de e+e-, formando un átomo, antes de que el e+e- se aniquile en dos fotones.