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Annichilazione

Annichilazione elettrone-positrone e protone-antiprotone

L'annichilazione è un processo di combinazione tra una particella (materia) e la sua antiparticella (antimateria) con scomparsa di entrambe e liberazione di energia.

Poiché, come è noto dalla teoria della relatività, esiste una equivalenza tra la massa e l'energia, nel processo di annichilazione le masse delle due particelle possono trasformarsi in energia completamente o solo parzialmente.

Processo di annichilazione
Processo di annichilazione.

Quando la massa si trasforma completamente in energia (secondo la relazione di Einstein E = m0·c2, dove E è l'energia, m0 è la massa di riposo della particella che scompare e c la velocità della luce nel vuoto), quest'ultima riappare sotto forma di fotoni.

Quando, invece, tra i prodotti dell'annichilazione vi sono anche delle particelle con massa di riposo diversa da zero, la corrispondente energia disponibile può presentarsi oltre che sotto forma di fotoni anche come energia cinetica delle particelle prodotte nel processo di annichilazione.

L'annichilazione è stata osservata per la prima volta da J. Thibaud (1933) come scomparsa simultanea di un elettrone e di un positrone con produzione di radiazione elettromagnetica (fotoni).

È stata osservata successivamente da E. G. Segré e O. Chamberlain anche l'annichilazione dei nucleoni (protone e neutrone) con i corrispondenti antinucleoni e con produzione di fotoni e di mesoni π e K.

Annichilazione elettrone-positrone

Nell'annichilazione elettrone-positrone, che non è altro che il processo inverso della "produzione di coppie", il positrone, poco dopo la formazione, viene rallentato dalle collisioni con gli atomi della materia nella quale è stato creato, fino a trovarsi praticamente in condizioni di riposo.

In queste condizioni è massima la probabilità che esso interagisca con un elettrone pure a riposo: in tal caso le due particelle scompaiono liberando una quantità d'energia pari a 2·m0·c2. Tale energia corrisponde alla somma delle energie equivalenti alle masse di riposo delle due particelle, che sono entrambe uguali a m0·c2 = 511 keV (kiloelettronvolt, pari a 103 eV), e si manifesta sotto forma di fotoni.

La probabilità di annichilazione è molto piccola se le due particelle sono in moto relativo, mentre diventa molto alta quando esse sono a riposo.

Il numero di fotoni emessi in questo processo di annichilazione dipende dallo stato di legame delle due particelle interagenti. Infatti, se le due particelle sono libere (cioè non interagiscono con nessun'altra particella) il principio di conservazione della quantità di moto non ammette che il processo avvenga con emissione di un solo fotone (al quale competerebbe allora una quantità di moto pari a 2·m0·c2/c = 2·m0·c), bensì con produzione di almeno due fotoni. Nel caso in cui i fotoni siano due, ciascuno di essi possiede energia quasi esattamente uguale a m0·c2. e sono emessi in direzioni opposte.

Se invece una delle due particelle interessate all'annichilazione è legata a qualche altra particella, può verificarsi - durante l'annichilazione - l'emissione di uno, due o più fotoni.

In questo caso la conservazione della quantità di moto è assicurata dalla partecipazione al processo della particella estranea: se essa è un elettrone, acquista circa un terzo dell'energia totale disponibile - cioè circa (2/3)·m0·c2, pari a circa 340 keV -, mentre al fotone compete la rimanente energia - pari a (4/3)·m0·c2 (circa 680 keV) -; se invece la particella estranea è un nucleo, essa acquista una frazione trascurabile dell'energia totale e si può praticamente considerare che tutta l'energia disponibile vada al fotone.

La radiazione liberata durante il processo di annichilazione prende il nome di radiazione di annichilazione.

Annichilazione protone-antiprotone

Il processo di annichilazione di queste particelle era stato previsto teoricamente ancora prima della scoperta dell'antiprotone, avvenuta nel 1956 per merito di E. G. Segré e di O. Chamberlain (ai quali proprio per tale scoperta fu assegnato il premio Nobel per la fisica nel 1959), per le evidenti analogie con l'annichilazione elettrone-positrone.

Gli antiprotoni si annichilano con protoni e l'energia disponibile si manifesta in parte sotto forma di fotoni, in parte come creazione di un certo numero di mesoni π, sia carichi elettricamente sia neutri; vengono prodotti inoltre anche mesoni K e altre particelle, ma in numero assai piccolo rispetto a quello dei mesoni π.

Il numero totale dei mesoni prodotti nel processo di annichilazione protone-antiprotone è detto "fattore di molteplicità" dell'annichilazione; la molteplicità media dell'annichilazione protone-antiprotone è circa 5.

Il processo di annichilazione è anche in questo caso regolato dai principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto e, inoltre, della carica elettrica totale e del numero totale di nucleoni meno il numero degli antinucleoni.

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