Annichilazione

Annichilazione

E' la reazione che può aver luogo durante la collisione tra una particella e la sua antiparticella e che comporta la scomparsa di entrambe con l'emissione di energia sotto varie forme, in modo che la reazione conservi comunque l'energia totale. Le reazioni di antimateria finora studiate sono quelle di protone-antiprotone e soprattutto di elettrone-positrone (e- e+ ). Lo studio di quest'ultima, reso possibile dalla realizzazione di un tipo particolare di acceleratore, detto "anello di accumulazione", è stato estremamente fruttuoso per la fisica delle particelle elementari. Nell'anello di accumulazione circolano contemporaneamente e in senso opposto due fasci, uno di elettroni e uno di positroni. Il più semplice meccanismo di antimateria e-e+ è quello detto "a un fotone". L'antimateria procede in due fasi; nella prima entrambe le particelle scompaiono e si produce un fotone, nella seconda il fotone si trasforma in una o più coppie particella-antiparticella di altri tipi o in particolare ancora in coppie e+ e -.

Queste due fasi sono state schematizzate in figura.

Potrebbe sembrare che la seconda fase non debba necessariamente avere luogo e che una coppia e+e-  possa annichilarsi in un fotone, ma così non è. Questo punto è concettualmente molto importante. Poiché ogni reazione deve conservare l'energia, oltre alla quantità di moto, al momento angolare e ad altri numeri quantici, la coppia x+x - (una generica coppia particella-antiparticella) deve avere la stessa energia totale della coppia e+e -. Per energia totale si intende la somma delle energie cinetiche della coppia e delle loro masse moltiplicate per il quadrato della velocità della luce (E = mc2). Poiché la massa del fotone è nulla, durante la prima fase non è possibile la conservazione dell'energia. Il principio d'indeterminazione di Heisenberg consente però la non conservazione dell'energia, purché ciò avvenga per intervalli di tempo sufficientemente brevi. Ciò significa che la seconda fase, di materializzazione del fotone in altre particelle, deve necessariamente esistere.

Lo studio di queste reazioni ha comportato negli ultimi anni un grande progresso nella fisica delle particelle elementari e anche a sensazionali scoperte, come quella, operata nel 1974, dell'esistenza della cosiddetta "particella J/y". È stata soprattutto questa scoperta a provocare la concezione che i costituenti veramente fondamentali della materia sono sei leptoni e sei quarks. Le prime due reazioni indicate coinvolgono esclusivamente leptoni (gli elettroni e i muoni sono leptoni) e questi possono interagire solo elettromagneticamente, se si trascura una piccolissima probabilità di interagire debolmente e gravitazionalmente. Ora le interazioni elettromagnetiche sono inquadrate nell'elettrodinamica quantistica (in gergo QED). La teoria delle altre interazioni, gravitazionale, debole e forte, è tutt'altro che soddisfacente, specie per quest'ultima.