¿Una partícula se aniquila sólo con su antipartícula? ¿Si es así por qué?

Depende de tu definición de aniquilación. Pero microscópicamente todos los procesos son descritos por diagramas de Feynman como estos

de los cuales el último describe la aniquilación de positrones de electrones (si no fuera por el error tipográfico en el fotón saliente). Pero como puede ver, todo es una simple cuestión de cómo gira la cabeza y el mismo diagrama representa la emisión (o absorción) de fotón por electrón (o positrón). ¿El electrón se aniquila con el fotón y crea un nuevo electrón? Ciertamente puedes interpretarlo de esa manera. En otras palabras, es solo una cuestión de terminología e interpretación. La física real no depende de cómo llames al proceso. Está codificado en las matemáticas subyacentes de la teoría cuántica de campos (QFT).

En cualquier caso, el remate es que la aniquilación (en el sentido estricto de colisión inelástica de partículas y antipartículas) no tiene un lugar especial en el vocabulario de uno una vez que aprende su QFT y la física de partículas. Es solo un tipo particular de interacción. Entonces, también podría preguntar qué interacciones arbitrarias están permitidas. Y la respuesta a eso es: hay muchos de ellos y están descritos por el Modelo Estándar. Pero la imagen básica es que las partículas pueden cargarse bajo ciertas cargas: ya sea la electromagnética familiar o las cargas débiles y fuertes menos familiares. O, en un lenguaje más moderno, si algunas familias de partículas forman un multiplete bajo algún grupo de calibre. Para la fuerza débil con el grupo SU(2) obtienes dobletes de leptones (p. ej., electrones-neutrinos) y quarks (p. ej., arriba-abajo).

En cualquier caso, para cada multiplete hay un diagrama como los de arriba donde tienes dos partículas cargadas y una partícula mediadora entre ellas (fotón, bosones débiles o gluones). Además de esto, también puedes obtener diagramas más divertidos con, por ejemplo, tres o cuatro líneas de gluones. Pero eso es todo, estas son todas las interacciones permitidas del Modelo Estándar.

Todas las respuestas dadas son excelentes respuestas una vez que uno ha adquirido algunos conocimientos básicos de física y matemáticas modernas. Para un joven aspirante a físico, podrían ser un gran bocado. Así que una vez más ofreceré la interpretación "cotidiana" más simple.

Cuando las partículas interactúan, hablamos de ello como la dispersión de una partícula con la otra y hemos construido máquinas que hacen eso. Las dispersiones se describen bien con las teorías desarrolladas, como en la respuesta de Marek, y si se entiende por "aniquilación" que una partícula desaparece y se convierte en otra partícula, esa es la forma en que puede suceder.

La aniquilación "real" ocurre, se mide, experimentalmente cuando todos los números cuánticos que describen las dos partículas que interactúan entrantes se vuelven 0 en la región de interacción y la salida son fotones, como en el caso de la aniquilación de electrones y positrones a baja energía, y/o un montón de partículas cuyos números cuánticos suman 0 a energías que permiten su creación.

Entonces, cuando las dos partículas entrantes tienen números cuánticos iguales y opuestos que las describen en el modelo estándar, los experimentadores llaman a la interacción aniquilación si no es una dispersión elástica. La dispersión elástica retiene los números cuánticos de las dos partículas entrantes, total o parcialmente. Puede ocurrir que un antiprotón se convierta en un antineutrón, conservando el número bariónico, por ejemplo. Los procesos sólo pueden desenredarse estudiando más a fondo con diagramas del tipo mostrado por Marek.

“En el otoño de 1940, Feynman recibió una llamada telefónica de John Wheeler [asesor de tesis de Feynman] en el Graduate College de Princeton, en la que él [Wheeler] dijo que sabía por qué todos los electrones tienen la misma carga y la misma masa. '¿Por qué?' preguntó Feynman, y Wheeler respondió: 'Porque todos son uno y el mismo electrón'”. — Jagdish Mehra

Lo que Wheeler quiso decir es que la aniquilación de un electrón y un positrón se puede describir diciendo que el electrón se dispersa hacia atrás en el tiempo. Un electrón que avanza parece un positrón que avanza hacia el futuro.

Un comentario anal retentivo sobre la declaración de Marek de que "microscópicamente todos los procesos se describen mediante diagramas de Feynman como estos..." Haga esto: la amplitud asociada con un evento de dispersión (con números y especies dados de partículas entrantes y salientes) se puede calcular mediante sumando sobre una serie infinita de números complejos, cada uno representado por un diagrama de Feynman.