Según wikipedia Toda aniquilación de antimateria produce rayos gamma (junto con otros elementos potenciales).
¿Por qué específicamente los rayos gamma? ¿Por qué no las ondas electromagnéticas de otra longitud de onda?
Respuestas
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aceinthehole
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1460
A nivel de árbol, una reacción de aniquilación materia-antimateria no lo hace sólo produce rayos gamma, ni puede excluir los neutrinos en el estado final.
Incluso la reacción más sencilla puede producir, con suficiente energía, una variedad de pares de partículas. Sin embargo, esos pares están sujetos a dos procesos posteriores:
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Si las partículas no son estables, decaerán hacia partículas más ligeras y estables, llegando finalmente a electrones-positrones, nucleones/antinucleones y neutrinos/antineutrinos.
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Las antipartículas en el estado final (exceptuando algunos de los antineutrinos) que no decaen acabarán encontrando alguna partícula coincidente con la que aniquilarse.
Así que si esperamos un tiempo, el estado final de la aniquilación será de fotones (sobre todo en la banda gamma, pero es posible que también haya algunos de baja energía) y neutrinos (tanto de materia como de antimateria (o tanto de derecha como de izquierda si los neutrinos son de naturaleza Majorana)).
Los neutrinos se suelen ignorar porque a efectos prácticos no tienen más efecto que el de transportar energía y momento fuera de la interacción.
Floris
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54054
En el campo de la PET (tomografía por emisión de positrones) se tiende a NO llamar "rayos gamma" al producto de la aniquilación, sino "fotones de aniquilación". Aunque puede ser una distinción sutil, la opinión es que un "rayo gamma" es emitido por un núcleo, mientras que un "fotón" es un término más general utilizado para un quantum de energía electromagnética. Pero según Wikipedia La definición/uso del término parece depender del ámbito:
La radiación electromagnética procedente de la desintegración radiactiva de los núcleos atómicos se denomina "rayos gamma", independientemente de su energía, por lo que hay no hay límite inferior para la energía gamma derivada de la desintegración radiactiva . Esta radiación suele tener una energía de unos cientos de keV, y casi siempre inferior a 10 MeV. En astronomía, los rayos gamma se definen por su energía, y no es necesario especificar el proceso de producción. Las energías de los rayos gamma procedentes de fuentes astronómicas pueden superar los 10 TeV, una energía demasiado grande para ser el resultado de una desintegración radiactiva[1].
(Énfasis mío).
Así que dependiendo del campo - un fotón se llama un rayo gamma si tiene energía mayor de 100 keV, o se produce por desintegración nuclear. Creo que ningún proceso de aniquilación producirá cuantos menores de 100 keV - pero como @dmckee señaló en su respuesta, hay aniquilaciones en las que se pueden crear otras partículas (por ejemplo, neutrinos).
Se puede preguntar "¿por qué no menos de 100 keV?". Eso tiene que ver con la masa de las partículas. En el caso de los pares electrón/positrón, su masa combinada equivale a 1022 keV (2 x 511 keV). Y si toda la materia desaparece, todo tiene que convertirse en energía. Es posible aunque es poco probable que una aniquilación produzca más de dos fotones - véase esta respuesta y sus enlaces. En él se menciona que el par electrón-positrón se aniquilará en tres fotones en aproximadamente 1/370 de todas las aniquilaciones. No puedo encontrar una descripción de la distribución de energía en ese caso - pero me imagino que la probabilidad de que uno de estos fotones tenga una energía inferior a 100 keV sería muy pequeña - especialmente en el marco c.o.m. de la aniquilación (por supuesto, cuando las dos partículas viajan cerca de la velocidad de la luz en relación con el observador, pueden ocurrir cosas locas con las energías de las partículas observadas). Esto se midió en "Gamma-ray energy spectrum from orthopositronium three-gamma decay", Chang, Tang and Li, Phys Lett B, Volume 157, Issues 5-6, 25 July 1985, Pages 357-360 a la que desgraciadamente no tengo acceso sin entregar 39,95 dólares...
orion
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1444
La cantidad de energía a emitir es enorme ( $2mc^2$ más la energía cinética), por lo que las energías emitidas por fotón serán como mínimo la masa en reposo del electrón, que es de medio GeV (sin contar algunos corrimientos al rojo extremos e improbables debidos al movimiento del punto de colisión respecto al observador). Y eso está bien en el espectro gamma.
Robin Ekman
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6938
Para ampliar el comentario de @ACuriousMind, considere un par electrón-positrón tal que su centro de masa está en reposo. Como la energía y el momento se conservan en el proceso de aniquilación, los fotones resultantes se emitirán en direcciones opuestas con una energía $E = m_e = 511\ \text{keV}$ cada uno (unidades tales que $c = 1$ ). En cambio, si el par está en movimiento, un fotón se desplazará hacia el azul y el otro hacia el rojo.
Sin embargo, para desplazar al rojo un $511\ \text{keV}$ fotón a incluso $100\ \text{keV}$ requiere velocidades fuertemente relativistas $v > 0.95c$ para llegar a $10\ \text{keV}$ necesitas $v > 0.999c$ . Ahora bien, si el electrón forma parte del "entorno", está aproximadamente en reposo con respecto al sistema del laboratorio, por lo que el positrón debe estar moviéndose a cerca de $c$ en relación con el electrón si queremos observar algo más que $\approx 511\ \text{keV}$ .
Pero a medida que la velocidad relativa aumenta, la sección transversal para la aniquilación disminuye con bastante rapidez . Para las velocidades mencionadas anteriormente, $\gamma \approx 3, 22$ por lo que se puede ver que se suprime la aniquilación de positrones relativistas. Por lo tanto, no esperamos ver muchos fotones que no tengan energías cercanas a $511\ \text{keV}$ .
kungfu
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Es posible.
La regla es simple: la energía total (que es al menos mc^2, m la suma de ambas masas) se convertirá en otras partículas (fotones o par partícula-antipartícula). Así que es posible que un fotón recoja muy poca energía (por ejemplo, teniendo muchos fotones, lo cual es posible, aunque la masa sea muy improbable).
Creo que, está escrito así, ya que principalmente lo que significa que probablemente alrededor del 99,9% de las veces, decae en fotones altamente energéticos.
Si te interesa, haz las cuentas tú mismo: la energía total del LHC es actualmente de unos 13 TeV. ¿Cuántos fotones se necesitan para que la energía media sea inferior a la energía gamma? (y por cierto, por cada fotón añadido, la probabilidad disminuye en un factor de 1/100 aproximadamente)
