¿Resplandor del accidente de antimateria?

Contrariamente a la declaración anterior de L. Dutch, la aniquilación de bariones finalmente produce solo rayos gamma, pero a corto y mediano plazo se obtienen todo tipo de partículas hijas interesantes, no todas inestables. Solo la aniquilación de electrones y positrones no da nada más que rayos gamma.

Según la fuente de todo conocimiento :

Por lo tanto, cuando un protón se encuentra con un antiprotón, uno de sus quarks, generalmente un quark de valencia constituyente, puede aniquilarse con un antiquark (que más raramente podría ser un quark marino) para producir un gluón, después de lo cual el gluón junto con los quarks restantes, antiquarks y gluones se someterán a un proceso complejo de reordenamiento (llamado hadronización o fragmentación) en varios mesones (principalmente piones y kaones), que compartirán la energía y el momento totales.

En el vacío, estos productos de aniquilación pueden viajar una gran distancia antes de desintegrarse en rayos gamma o partículas estables como electrones y positrones:

La reacción más probable implica la producción de algunos piones neutros (que se muestran como π ⁰ ) que se descomponen casi inmediatamente en rayos gamma de alta energía, y también algunos piones cargados (que se muestran como π ⁺ y π ^- ) que tienen una vida corta pero también son viaja extremadamente rápido y, por lo tanto, puede interactuar con la materia cercana. Los piones se descomponen en muones cargados (que se muestran como μ ⁺ y μ ^- ), que son aún más estables y pueden viajar bastante distancia en el vacío. Estos también pueden interactuar con la materia circundante. Los piones finalmente se descomponen en electrones y positrones (que se muestran como e ⁺ y e ^-respectivamente), el último de los cuales puede aniquilar un electrón producido por la cadena de desintegración o en la materia circundante que produce más rayos gamma

Esos primeros piones cargados tienen una energía cinética de >200 MeV, que excede la energía atómica de enlace de la mayoría de los elementos ligeros. La sección transversal de interacción con un núcleo será pequeña, y las posibilidades de que el pión se disperse fuera del núcleo serán razonables, pero una parte de los núcleos en la materia que rodea la explosión podría, de hecho, estar fisionada. De manera similar, los rayos gamma >200MeV que salen de las desintegraciones de piones neutros también pueden causar la fotodesintegración de los núcleos.

Ciertamente, los núcleos tan ligeros como el aluminio podrían romperse con este proceso... posiblemente núcleos un poco más pesados ​​también, pero no tengo claro eso. Los fragmentos resultantes pueden ser radiactivos y pueden ser isótopos inestables de vida prolongada. La cantidad de radiactividad inducida obviamente será distinta de cero, pero no está claro cuánto habrá (y la pregunta podría ser demasiado difícil de responder).

Una liberación incontrolada de antimateria a granel también dará como resultado que parte de ella sea expulsada de la zona cero por la presión de la radiación sin que sea necesariamente aniquilada de inmediato, como le gustaría si fuera un cohete o una ojiva de antimateria.

Esto significa que tienes un caparazón en expansión de antimateria ionizada que también puede interactuar con el material circundante. Las antipartículas individuales eventualmente interactuarán con una partícula de materia, pero obviamente un solo antiprotón o antineutrón no puede aniquilar nada más grande que un átomo de hidrógeno-1. Cualquier cosa más grande terminará siendo transmutada en un isótopo o elemento diferente, y la liberación de energía resultante de la aniquilación será absorbida por los nucleones espectadores que, a su vez, pueden provocar la fisión del átomo.

¿El sitio todavía brilla debido a los isótopos hijos?

Las explosiones nucleares normales no tienen un brillo radiactivo después, y las explosiones de antimateria no tienen más probabilidades de producir tal efecto.

Hay cierto margen para la radiactividad de larga duración, pero en ausencia de activación de neutrones y actínidos de desecho de cualquier subproducto de la fisión, parece probable que sea mucho menor. Más aún para la luna, que tiene menos metal que la Tierra, dada su menor densidad, y a menudo son los metales en el suelo y las rocas los que se activan con neutrones para producir esa radiación de fondo de larga duración después de una explosión nuclear.

o es simplemente un gran agujero en el suelo, hasta dónde se esparcirían los escombros, etc...

Algunos de los escombros ciertamente excederán la velocidad de escape local. Es probable que golpee la Tierra, aunque sospecho que con solo una tonelada de antimateria (rendimiento equivalente a 40 GT) no habrá suficiente para causar una emocionante lluvia de meteoritos. El destello probablemente será visible a simple vista si miras en la dirección correcta, y es posible que haya algunas bajas de satélites debido a los escombros.

Obtendrá pequeños pedacitos esparcidos por toda la superficie de la luna, pero sobre todo lo que obtendrá será un gran agujero agradable, no muy diferente de los otros agujeros grandes y agradables que ya están allí.

Con respecto a la posibilidad de un kaboom que rompa la luna levantado por la ley del cubo cuadrado, considere el cráter Tycho:

Es un arma grande... >80 km de ancho, y claramente visible desde la Tierra (posiblemente con la ayuda de binoculares, si sus ojos no son buenos, pero aun así) pero hay muchos cráteres más grandes en la Luna, que permanece absolutamente intacta. .

No pude encontrar mucha buena investigación sobre la naturaleza del impactador Tycho, pero jugando con el encantador simulador de cráter lunar de aspecto antiguo , pude encontrar algo de unos 12 km de ancho y viajando a unos 15 km. /s para una energía cinética total de ~1,5 x 10 ²³ J, o ~36 teratoneladas de TNT equivalente. Incluso si estuviera mal por dos órdenes completos de magnitud, sigue siendo un boom mucho más grande que la antimateria que se está cocinando, y hará un trabajo mucho mejor al palear el regolito y la roca.

Una tonelada de antimateria producirá una explosión temible, pero seguirá siendo un grano pequeño en comparación con una roca espacial de tamaño razonable. La luna no se va a ninguna parte.

La aniquilación de materia y antimateria produce fotones gamma, nada más.

Cuando los fotones gamma interactúan con la materia, pueden producir:

• ionización
• fotofisión

La fotofisión es un proceso en el que un núcleo, después de absorber un rayo gamma, sufre una fisión nuclear y se divide en dos o más fragmentos.

La radiación gamma de energías modestas, en las bajas decenas de MeV, puede inducir la fisión en elementos tradicionalmente fisionables como los actínidos torio, uranio, plutonio y neptunio. Se han realizado experimentos con rayos gamma de energía mucho más alta, encontrando que la sección transversal de fotofisión varía poco dentro de rangos en el rango bajo de GeV.

Teniendo en cuenta que la luna no es tan rica en esos elementos, no tendrás un resplandor apreciable.

Como señaló PCMan:

Como regla general, la antimateria no magulla ni infecta a otros átomos con el bombardeo de neutrones como lo hacen las reacciones de fusión o fisión nuclear. Simplemente tritura los átomos, dejando átomos mucho más livianos o, más generalmente, simplemente convirtiendo el lote en una fuerte inundación de rayos gamma que luego simplemente calientan masivamente cualquier materia no consumida a su alrededor, lo que genera una enorme explosión térmica no muy secundaria. radiación. El brillo residual por megatón de antimateria es una fracción de una fracción de la explosión de fusión del mismo tamaño.

Agradezco que mis compañeros usuarios hayan dado muchos detalles sobre las partículas generadas por las interacciones de materia y antimateria.

Soy un gran admirador tanto de Starfish Prime como de L.Dutch, pero debo contradecir a ambos. Ustedes se están enfocando en las partículas, pero yo quiero enfocarme en los efectos prácticos.

Una tonelada métrica de antimateria reaccionará con una tonelada métrica de materia para liberar 49 930 843 263 157 kWh, o alrededor de 50 petavatios-hora si lo redondeamos ligeramente hacia arriba.$E = mc^2$y todo, convirtiendo julios a kWH. En realidad usé una calculadora porque soy perezoso .

A modo de comparación, eso es aproximadamente 80 veces la suma de los rendimientos de cada bomba nuclear detonada .

Ahora tenga en cuenta que la Luna tiene alrededor del 1% de la masa de la Tierra.

Y luego mira este video de Kurtzgesagt que detalla lo que sucedería si detonaras una bomba nuclear de 100 megatones en la Luna .

Esa bomba nuclear sería una fracción de todo lo nuclear que hayamos detonado, y ya sería capaz de nivelar cada estructura en la Luna debido al pequeño tamaño y masa de la Luna. Dejo una ilustración de las ondas de choque aquí porque es muy hermosa.

Fuente: el video que vinculé a un par de párrafos arriba.

Arrojas todas las bombas nucleares detonadas a la vez en la Luna, luego enjuagas y repites ochenta veces...

Para que conste, la forma en que la Luna se daña en este escenario de aniquilación de antimateria es muy diferente a si hubiera sido bombardeada o golpeada por un asteroide. Prácticamente toda la energía será en forma de rayos gamma. Para una analogía, la diferencia entre la bomba nuclear y este escenario es la misma que ser golpeado por una bala y mirar a través del haz de un acelerador de partículas con la misma salida de energía hacia ti. TL; DR una parte considerable de la Luna se vaporizará muy rápido, y mucha materia incluso escapará bien de su gravedad. Eso puede causar algunos terremotos. No sé cuán violentos serían. Me imagino que la gran cantidad de energía que se libera podría ser suficiente para emular las ondas de choque de una gran bomba nuclear.

Hay dos recordatorios que durarán para siempre y que los observadores podrán verificar fácilmente. La primera es que cualquier estructura sobre la Luna construida antes del escape de antimateria será completamente destruida. La segunda es que cualquier mapa de la superficie de la Luna posterior al escape tendrá un cráter realmente grande que no está presente en los mapas anteriores. ¿Cuan grande? Me imagino grande como en visible con binoculares desde la Tierra.

Por último, pero no menos importante, edite: no estoy 100% seguro, pero creo que la cantidad absurda de radiación gamma empaquetada en un lugar tan estrecho podría causar fotodesintegración , lo que podría hacer que algunas cosas se vuelvan radiactivas. No sé si esto haría que el cráter resultante fuera significativamente radiactivo: por un lado, la mayoría de las cosas expuestas a rayos gamma no se vuelven radiactivas, pero por otro lado, aplicó una cantidad divina de radiación a un volumen muy pequeño de cosas.

Posible, pero extremadamente improbable. Es posible que desee poner algo de nitra de amonio... err, perdóneme... algunos elementos bien elegidos susceptibles de generar subproductos radiactivos cerca y necesitará muchos de ellos, los caminos para lograr esto son muy estrechos.

El resplandor residual durante cientos de años puede ser generado por la creación de cantidades masivas de elementos radiactivos de descomposición lenta (no hay suficiente energía para hacer eso, ni siquiera las supernovas logran obtener porcentajes significativos de ellos) o cantidades decentes de isótopos radiactivos con vidas medias de decenas o cien años (no tantos de esos). Todos los isótopos con vidas medias más cortas que años (y hay muchos) mostrarán una actividad insignificante después de medio siglo.

Pero veamos algunos detalles:

La aniquilación con antimateria en sí misma es un proceso "limpio": tenías masa, ahora tienes mucha energía. Como rayos γ muy energéticos.

La interacción de los rayos gamma con la materia producirá una cantidad muy pequeña de elementos fisionables: necesitará isótopos pesados ​​con vidas medias muy largas que son "empujados al límite" y deciden apresurarse bajo la sacudida del fuerte bombardeo γ. Pero aquellos que se apresuren a hacerlo solo darán como resultado isótopos hijos con vidas medias muy cortas, por lo que la energía adicional solo se sumará a la de la explosión.
En cualquier caso, los núcleos pesados ​​​​son raros en el suelo lunar, no hay suficientes explosiones de supernovas para crear elementos radiactivos y lunas alrededor en los últimos mil millones de años más o menos.

Hay dos mecanismos en los que todavía puede ocurrir la creación de nuevas especies radiactivas:

• generación secundaria de pares neutrón-antineutrón, con la captura del neutrón por un núcleo ligero - dado que el par neutrón-antineutrón tiene altas energías, la captura del neutrón energético es poco probable, por lo que puede descartar este

• fusión de elementos ligeros generados por el confinamiento inercial bajo la presión de radiación pura (ver también NIF y HiPER ). Sin embargo, la energía que arroja una insignificante explosión de 1 t de materia-antimateria es insuficiente para una producción masiva de isótopos pesados ​​con una vida media media: preferiría necesitar una explosión de supernova y luego correr alrededor de ella para recolectar los productos de una expansión. onda de choque que abarca algunos años luz.

Una forma de lograr un resplandor sería que la energía liberada en la explosión calentara tanto el lugar que emitiera radiación térmica . Según Wikipedia, una temperatura de 4000 K daría un resplandor rojo, 5000 K daría un resplandor amarillo y así sucesivamente.

La energía liberada por 1000 kg de antimateria que se aniquila con 1000 kg adicionales de materia normal está dada por E = mc ²  ≈ 1,8 × 10 ²⁰  J. Si el accidente ocurre bajo tierra, entonces la gran proporción de esta energía podría convertirse en calor (de lo contrario más se perdería en forma de escape de fotones). No pude encontrar datos específicos sobre la luna, pero podemos suponer que la roca lunar tiene una capacidad calorífica del orden de 1000 J kg ^-1  K ^-1 . Esto significa que la energía liberada sería suficiente para calentar unos 4,5 × 10 ¹³  kg de roca lunar a 4000 K.

A modo de comparación, la propia Luna tiene una masa de aproximadamente 7,3 × 10 ²²  kg, por lo que, en su lugar, le harías esto a un asteroide o el calor se disiparía al resto de la Luna por conducción y convección. Pero la explosión en sí también está localizada en un área mucho más pequeña que sería mucho más caliente que 4000 K, por lo que el calor tardaría algún tiempo en extenderse a una masa de 4,5 × 10 13 ^kg  . La luna tiene una densidad de alrededor de 3,3 kg m ^-3 , por lo que si asumimos que el calor se distribuye por igual en todas las direcciones, formaría una semiesfera aproximada de radio ≈ 19 km.

No estoy seguro de cómo estimar cuánto tiempo tardaría el calor en extenderse hasta aquí, o cuánto tiempo tardaría después de eso en extenderse aún más hasta dejar de brillar; pero si la parte brillante de la superficie tiene un radio del orden de 19 km, parece razonable suponer que el resplandor duraría bastante tiempo, y el centro de ese radio probablemente permanecería a más de 4000 K por un tiempo también. Dado su tamaño, el área brillante debería ser visible desde el espacio.