Aniquilação - Annihilation
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Na física de partículas , aniquilação é o processo que ocorre quando uma partícula subatômica colide com sua respectiva antipartícula para produzir outras partículas, como um elétron colidindo com um pósitron para produzir dois fótons . A energia total e o momento do par inicial são conservados no processo e distribuídos entre um conjunto de outras partículas no estado final. As antipartículas têm números quânticos aditivos exatamente opostos de partículas, então as somas de todos os números quânticos de tal par original são zero. Portanto, qualquer conjunto de partículas pode ser produzido cujos números quânticos totais também sejam zero, desde que a conservação da energia e a conservação do momento sejam obedecidas.
Durante uma aniquilação de baixa energia, a produção de fótons é favorecida, uma vez que essas partículas não têm massa. Os aceleradores de partículas de alta energia produzem aniquilações onde uma grande variedade de partículas pesadas exóticas é criada.
A palavra "aniquilação" é usada informalmente para a interação de duas partículas que não são antipartículas mútuas - não são conjugados de carga . Alguns números quânticos podem então não somar zero no estado inicial, mas conservar os mesmos totais no estado final. Um exemplo é a "aniquilação" de um antineutrino de elétrons de alta energia com um elétron para produzir um
C-
.
Se as partículas aniquiladoras são compostas , como mésons ou bárions , então várias partículas diferentes são tipicamente produzidas no estado final.
Produção de um único bóson
Se as duas partículas iniciais são elementares (não compostas), então elas podem se combinar para produzir apenas um único bóson elementar , como um fóton (
γ
), gluon (
g
),
Z
, ou um bóson de Higgs (
H0
) Se a energia total no referencial do centro de momento for igual à massa de repouso de um bóson real (o que é impossível para um bóson sem massa como o
γ
), então essa partícula criada continuará a existir até que decaia de acordo com seu tempo de vida . Caso contrário, o processo é entendido como a criação inicial de um bóson virtual , que se converte imediatamente em um par partícula + antipartícula real. Isso é chamado de processo do canal s . Um exemplo é a aniquilação de um elétron com um pósitron para produzir um fóton virtual, que se converte em múon e anti-múon. Se a energia for grande o suficiente, um
Z
poderia substituir o fóton.
Exemplos
Aniquilação elétron-pósitron
Quando um elétron de baixa energia aniquila um pósitron de baixa energia (antielétron), o mais provável é a criação de dois ou mais fótons , uma vez que as únicas outras partículas do Modelo Padrão de estado final que elétrons e pósitrons carregam energia de massa suficiente para produzir são neutrinos , que têm aproximadamente 10.000 vezes menos probabilidade de produzir, e a criação de apenas um fóton é proibida pela conservação do momento - um único fóton carregaria momento diferente de zero em qualquer quadro , incluindo o quadro do centro de momento onde o momento total desaparece. Tanto o elétron aniquilador quanto as partículas de pósitron têm uma energia de repouso de cerca de 0,511 milhão de elétron-volts (MeV). Se suas energias cinéticas são relativamente insignificantes, essa energia de repouso total aparece como a energia do fóton dos fótons produzidos. Cada um dos fótons tem então uma energia de cerca de 0,511 MeV. O momento e a energia são conservados, com 1,022 MeV de energia do fóton (contabilizando a energia de repouso das partículas) movendo-se em direções opostas (contabilizando o momento zero total do sistema).
Se uma ou ambas as partículas carregadas carregam uma quantidade maior de energia cinética, várias outras partículas podem ser produzidas. Além disso, a aniquilação (ou decaimento) de um par elétron-pósitron em um único fóton pode ocorrer na presença de uma terceira partícula carregada, para a qual o excesso de momento pode ser transferido por um fóton virtual do elétron ou pósitron. O processo inverso, produção de pares por um único fóton real, também é possível no campo eletromagnético de uma terceira partícula.
Aniquilação próton-antipróton
Quando um próton encontra sua antipartícula (e mais geralmente, se qualquer espécie de bárion encontra o antibárion correspondente ), a reação não é tão simples quanto a aniquilação elétron-pósitron. Ao contrário de um elétron, um próton é uma partícula composta que consiste em três "quarks de valência" e um número indeterminado de "quarks do mar" ligados por glúons . Assim, quando um próton encontra um antipróton, um de seus quarks, geralmente um quark de valência constituinte, pode se aniquilar com um antiquark (que mais raramente poderia ser um quark do mar) para produzir um glúon, após o qual o glúon junto com os quarks restantes, antiquarks e glúons passarão por um complexo processo de rearranjo (chamado hadronização ou fragmentação ) em uma série de mésons (principalmente píons e kaons ), que compartilharão a energia total e o momentum. Os mésons recém-criados são instáveis e, a menos que encontrem e interajam com algum outro material, eles decairão em uma série de reações que acabam produzindo apenas fótons , elétrons , pósitrons e neutrinos . Este tipo de reação ocorrerá entre qualquer bárion (partícula consistindo de três quarks) e qualquer antibárion consistindo de três antiquarks, um dos quais corresponde a um quark no bárion. (Essa reação é improvável se pelo menos um entre o bárion e o antibárion for exótico o suficiente para não compartilhar os sabores de quark constituintes.) Os antiprótons podem e aniquilam com nêutrons , e da mesma forma os antineutrons podem aniquilar com prótons, como discutido abaixo.
Foram observadas reações nas quais a aniquilação próton-antipróton produz até 9 mésons, enquanto a produção de 13 mésons é teoricamente possível. Os mésons gerados deixam o local da aniquilação em frações moderadas da velocidade da luz e decaem com qualquer tempo de vida apropriado para seu tipo de méson.
Reações semelhantes ocorrerão quando um antinúcleo se aniquilar dentro de um núcleo atômico mais complexo , exceto que os mésons resultantes, interagindo fortemente , têm uma probabilidade significativa de serem absorvidos por um dos núcleos "espectadores" restantes em vez de escapar. Uma vez que a energia absorvida pode chegar a ~ 2 GeV , ela pode, em princípio, exceder a energia de ligação até mesmo dos núcleos mais pesados. Assim, quando um antipróton se aniquila dentro de um núcleo pesado, como urânio ou plutônio , pode ocorrer a ruptura parcial ou completa do núcleo, liberando um grande número de nêutrons rápidos. Essas reações abrem a possibilidade de desencadear um número significativo de reações de fissão secundária em uma massa subcrítica e podem ser potencialmente úteis para a propulsão de espaçonaves .
Produção de Higgs
Em colisões de dois núcleos com energias muito altas, os quarks e glúons do mar tendem a dominar a taxa de interação, de modo que nenhum dos núcleos precisa ser uma antipartícula para que ocorra a aniquilação de um par de quarks ou a "fusão" de dois glúons. Exemplos de tais processos contribuem para a produção do bóson de Higgs há muito procurado . O Higgs é produzido diretamente muito fracamente pela aniquilação de quarks leves (valência), mas pesados
t
ou
b
mar ou quarks produzidos estão disponíveis. Em 2012, o laboratório do CERN em Genebra anunciou a descoberta do Higgs nos escombros das colisões próton-próton no Grande Colisor de Hádrons (LHC). O maior rendimento de Higgs é da fusão de dois glúons (via aniquilação de um par de quark pesado), enquanto dois quarks ou antiquarks produzem eventos mais facilmente identificados através da radiação de um Higgs por um bóson vetorial virtual produzido ou aniquilação de dois desses bósons vetoriais.
Veja também
Referências
Notações
- Kragh, H. (1999). Quantum Generations: A história da física no século XX . Princeton University Press . ISBN 0-691-01206-7.
Notas de rodapé
links externos