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Colisão misteriosa de partículas e antipartículas: por que elas desaparecem, mas criam novas partículas?
Na física de partículas, os processos de desaparecimento e criação revelam as estranhas propriedades do universo. Este fenômeno, mais comumente conhecido como “aniquilação”, ocorre quando um par de partículas subatômicas colide com suas antipartículas correspondentes, criando outras partículas. Por exemplo, quando um elétron colide com um pósitron, dois fótons podem ser gerados. Neste processo, a energia total e o momento do par de partículas inicial são retidos e distribuídos entre as partículas no estado final. A aniquilação de partículas e antipartículas não é apenas um princípio básico da física, mas também uma chave importante para a compreensão da estrutura básica do universo.
No processo de aniquilação de baixa energia, a geração de fótons é o evento mais provável.
O processo de aniquilação de partículas e antipartículas segue diversas leis básicas de conservação da física, incluindo conservação de energia, conservação de momento e conservação de spin. Isto significa que mesmo em eventos onde pequenas partículas interagem, a quantidade total deve ser consistente. Ao mesmo tempo, a existência de antipartículas permite-nos observar muitos fenómenos, sendo os mais interessantes os eventos de aniquilação que provocam em colisores de partículas de alta energia, que produzem uma variedade de partículas pesadas.
A relação entre aniquilação e geração
O termo "aniquilação" é frequentemente usado informalmente por acadêmicos para descrever a interação entre duas partículas que não são simétricas entre si. Nesse caso, mesmo que alguns números quânticos não somem zero no estado inicial, a soma no estado final ainda será consistente. Por exemplo, a "aniquilação" de antineutrinos e elétrons de elétrons de alta energia pode gerar férmions W, o que mostra a diversidade e complexidade do processo de aniquilação.
Em ambientes de alta energia, o processo de aniquilação pode produzir partículas mais pesadas, o que também torna os colisores de partículas de alta energia uma importante ferramenta de pesquisa.
Quando as partículas iniciais são partículas elementares, elas podem ser combinadas para produzir um único bóson elementar, como um fóton, um glúon ou o bóson de Higgs. Durante este processo, se a energia total no referencial do momento central for igual à massa restante de um bóson real, a partícula permanecerá existindo até decair de acordo com o seu tempo de vida. Caso contrário, este processo pode ser considerado como a geração de bósons virtuais, que são então transformados em pares de partículas reais e antipartículas. Este é o chamado processo do canal s. Por exemplo, a aniquilação de um elétron e de um pósitron produz um fóton virtual, que é então convertido em um minion e em um antitrino.
Exemplos práticos de aniquilação
Aniquilação elétron-pósitron
Em ambientes de baixa energia, a aniquilação entre elétrons e pósitrons geralmente gera dois fótons. Considerando que os elétrons e os pósitrons têm uma energia de repouso de cerca de 0,511 milhão de elétron-volts (MeV), essa energia é convertida na energia dos fótons durante a aniquilação. Neste caso, por baixo está a conservação do momento e da energia, criando um movimento reverso correspondente.
Se alguma das partículas carregadas transportar uma grande energia cinética, outras partículas podem ser produzidas, o que mostra a flexibilidade do processo de aniquilação.
Aniquilação próton-antipróton
A reação de um próton e sua antipartícula quando em contato não é tão simples quanto a aniquilação elétron-pósitron. O próton é uma partícula composta composta por três "quarks de valência" e muitos "quarks marinhos". Durante este processo, um quark do próton pode se aniquilar com um antiquark para gerar um glúon. Posteriormente, este glúon e os quarks e antiquarks restantes sofrerão uma recombinação complexa para produzir uma série de mésons (principalmente píons e kaon). Esses mésons recém-gerados, embora instáveis, são de interesse público em ações de física de partículas.
Geração do bóson de Higgs
Em ambientes de alta energia, como colisões entre dois núcleons, os quarks marinhos e os glúons dominam a taxa de interação, o que permite a aniquilação de um par de quarks ou a "fusão" de dois glúons mesmo na ausência de antipartículas. Esses processos ajudaram a gerar o tão esperado bóson de Higgs. Em 2012, o laboratório CERN em Genebra, na Suíça, anunciou a descoberta do bóson de Higgs, marcando um grande avanço na física de partículas.
O processo de aniquilação não apenas desempenha um papel fundamental na pesquisa científica básica, mas também ajuda os cientistas a compreender a origem e o desenvolvimento do universo. Mesmo isso também levanta inúmeras questões: O que há de tão misterioso e evasivo em nosso universo? e interações existem?
