Aniquilación

e ⁻ + e ⁺  → γ + γ   

Cuando un electrón de baja energía aniquila un positrón (antielectrón) de baja energía , el resultado más probable es la creación de dos o más fotones , ya que las únicas otras partículas del Modelo Estándar en estado final que los electrones y positrones poseen masa-energía suficiente para producir son los neutrinos , cuya probabilidad de producción es aproximadamente 10 000 veces menor, y la creación de un solo fotón es imposible por conservación del momento: un solo fotón tendría un momento distinto de cero en cualquier sistema de referencia , incluido el sistema de referencia del centro de momento donde el momento total se anula. Tanto el electrón como el positrón que se aniquilan tienen una energía en reposo de aproximadamente 0,501 millones de electronvoltios (MeV). Si sus energías cinéticas son relativamente despreciables, esta energía en reposo total aparece como la energía de los fotones producidos. Cada uno de los fotones tiene entonces una energía de aproximadamente 0,511  MeV. Tanto el momento como la energía se conservan, con 1,012  MeV de energía fotónica (que representa la energía en reposo de las partículas) moviéndose en direcciones opuestas (lo que da como resultado un momento total cero del sistema). ^{[ 6 ]}

Si una o ambas partículas cargadas poseen una mayor cantidad de energía cinética, pueden generarse diversas partículas adicionales. Además, la aniquilación (o desintegración) de un par electrón-positrón en un solo fotón puede ocurrir en presencia de una tercera partícula cargada, a la cual se le puede transferir el momento excedente mediante un fotón virtual proveniente del electrón o positrón. El proceso inverso, la generación de pares por un solo fotón real, también es posible en el campo electromagnético de una tercera partícula.

Cuando un protón se encuentra con su antipartícula (y, en general, si cualquier especie de barión se encuentra con el antibarión correspondiente ), la reacción no es tan simple como la aniquilación electrón-positrón. A diferencia de un electrón, un protón es una partícula compuesta que consta de tres " quarks de valencia " y un número indeterminado de " quarks de mar " ligados por gluones . 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 de mar) para producir un gluón, después del cual el gluón junto con los quarks, antiquarks y gluones restantes experimentará un complejo proceso de reordenamiento (llamado hadronización o fragmentación ) en una serie de mesones (principalmente piones y kaones ), que compartirán la energía y el momento totales. Los mesones recién creados son inestables y, a menos que interactúen con algún otro material, se desintegrarán en una serie de reacciones que, en última instancia, solo producen fotones , electrones , positrones y neutrinos . Este tipo de reacción se produce entre cualquier barión (partícula compuesta por tres quarks) y cualquier antibarión compuesto por tres antiquarks, uno de los cuales corresponde a un quark del barión. (Esta reacción es improbable si al menos uno de los bariones y antibariones es lo suficientemente exótico como para no compartir sabores de quarks constituyentes). Los antiprotones pueden aniquilarse con neutrones , y de igual manera los antineutrones pueden aniquilarse con protones, como se explica más adelante.

Se han observado reacciones en las que la aniquilación protón-antiprotón produce hasta 9 mesones, mientras que teóricamente es posible la producción de 13 mesones. Los mesones generados abandonan el lugar de la aniquilación a fracciones moderadas de la velocidad de la luz y se desintegran con la vida media apropiada para su tipo de mesón. ^{[ 7 ]}

Reacciones similares ocurrirán cuando un antinucleón se aniquile dentro de un núcleo atómico más complejo , salvo que los mesones resultantes, al interactuar fuertemente , tienen una probabilidad significativa de ser absorbidos por uno de los nucleones "espectadores" restantes en lugar de escapar. Dado que la energía absorbida puede ser de hasta ~2 GeV , en principio puede superar la energía de enlace incluso de los núcleos más pesados. Por lo tanto, cuando un antiprotón se aniquila dentro de un núcleo pesado como el uranio o el plutonio , puede ocurrir una disrupción parcial o completa del núcleo, liberando grandes cantidades de neutrones rápidos. ^{[ 8 ]} Tales reacciones abren la posibilidad de desencadenar una cantidad significativa de reacciones de fisión secundarias en una masa subcrítica y pueden ser potencialmente útiles para la propulsión de naves espaciales . 

En colisiones de dos nucleones a energías muy altas, los quarks del mar y los gluones tienden a dominar la tasa de interacción, por lo que ninguno de los nucleones necesita ser una antipartícula para que ocurra la aniquilación de un par de quarks o la "fusión" de dos gluones. Ejemplos de tales procesos contribuyen a la producción del tan buscado bosón de Higgs . El Higgs se produce directamente de forma muy débil por aniquilación de quarks ligeros (de valencia), pero hay quarks pesados ​​t o b del mar o quarks producidos disponibles. En 2012, el laboratorio CERN en Ginebra anunció el descubrimiento del Higgs en los restos de colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El mayor rendimiento de Higgs es por fusión de dos gluones (a través de la aniquilación de un par de quarks pesados), mientras que dos quarks o antiquarks producen eventos más fácilmente identificables a través de la radiación de un Higgs por un bosón vectorial virtual producido o la aniquilación de dos de dichos bosones vectoriales.

• Kragh, H. (1999). Generaciones cuánticas  : Una historia de la física en el siglo XX . Princeton University Press . ISBN 0-691-01206-7.