¿Cuánto tiempo lleva la materia y la antimateria aniquilarse entre sí?

Eso depende de lo que quieras decir. Voy a suponer que, cuando las fuerzas fundamentales se separaron entre sí y cuando el universo se expandió lo suficiente como para enfriarse hasta el punto de que el camino libre medio de un fotón se volvió infinito, tardó unos 380,000 años.

Por lo que entendemos, cuando el universo se creó por primera vez, era un lugar muy cálido, denso y enérgico. En los momentos posteriores al Big Bang, se cree que las cuatro fuerzas fundamentales se unificaron en una superfuerza. La razón por la que pensamos que comenzó con los experimentos de Faraday, y las ecuaciones de Maxwell que mostraron que la electricidad y el magnetismo son dos lados de la fuerza electromagnética. Si observa las ecuaciones de Maxwell, observa que se ven casi simétricas. Si supone que existen monopolos magnéticos, entonces son perfectamente simétricos. (Nota al margen: como un poco de trivia, Dirac dio una buena prueba de por qué la carga eléctrica debe cuantificarse si incluso existe un solo monopolio magnético en cualquier parte del universo). Einstein pasó sus últimos años tratando de unificar la gravedad y el electromagnetismo, y murió en el intento. Más tarde se descubrió que la fuerza débil también podía unirse al electromagnetismo al descubrir otra simetría en las matemáticas. Esta es la fuerza electro-débil. Finalmente, la fuerza fuerte también se unificó con los demás. Todavía hay un gran impulso en la comunidad de física teórica para fusionar la gravedad con la mecánica cuántica en la búsqueda de las ecuaciones para esa superfuerza.

De todos modos, la unificación de estas fuerzas solo ocurre a energías muy altas, que solo pueden ser probadas por los colisionadores más grandes del mundo. Para eso fue construido el gran colisionador Haddon, explorar estos regímenes increíblemente altos de energía. Pero a medida que el universo se expandió, se enfrió. Creemos que la gravedad se separó primero. Luego lo fuerte, luego la fuerza débil y electromagnética. Cuando estas fuerzas se separaron, decimos que las simetrías se rompieron. Es como si tuvieras que equilibrar una canica en la parte superior de un tazón. Mientras permanezca en la parte superior, es bonito, tiene simetría axial con el tazón. Pero este es un estado inestable y si se altera, se desliza hacia un lado y la simetría se ha roto. Cuando las fuerzas se unificaron, es probable que la distribución de la materia y la antimateria se hubiera creado en partes iguales debido a la simetría, pero cuando se dividieron, la simetría se rompió y el mármol proverbial simplemente cayó por el lado que favorecía la materia. sobre antimateria. Después de este período cuando las fuerzas se separaron, hubo un mar de partículas, y resultó que había un poco más de partículas de materia que la antimateria.

Intentamos estudiar la Física de la época del quark en aceleradores de partículas más pequeños. Generalmente, un núcleo grande, como el oro, colisiona con otro núcleo de la misma especie a velocidades tremendas. Cuando chocan, la temperatura y la densidad aumentan mucho, y esto simula las condiciones del universo primitivo, aunque solo sea brevemente.

Ahora, una peculiaridad extraña sobre la fuerza fuerte es que a medida que separas dos quarks, la fuerza que los une nuevamente se vuelve más fuerte. Esto se debe a que a medida que aumenta la distancia, más gluones virtuales (los resortes proverbiales que mantienen unidos a los quarks) pueden caber en el espacio entre ellos. Esto es diferente de la fuerza electromagnética; Los fotones no interactúan entre sí porque no llevan carga. Los gluones interactúan entre sí porque tienen una carga de color. De todos modos, lo contrario también es cierto, si se aprietan los quarks, se pueden colocar menos gluones virtuales entre ellos y la fuerza que los une disminuye. A medida que aumenta la densidad, reduce el espacio entre los quarks y los obliga a acercarse. En algún momento dejan de acercarse unos a otros en pequeños nucleones y se mueven libremente en una sopa de quarks y gluones llamada Quark-Gluon Plasma.

Ahora, en el universo primitivo, también había fotones que eran tan enérgicos que creaban pares de electrones-positrones (se crea materia y antimateria). O un electrón y un positrón se aniquilarían y crearían un fotón que podría ser absorbido por un quark, aumentando su energía, y luego el quark podría emitir un fotón o un gluón. Si esto te suena confuso, también fue para esos pobres fotones. No podían viajar muy lejos antes de tener que interactuar con algo nuevo.

Pero debido a que el universo se estaba expandiendo, la energía general del universo se estaba extendiendo a un volumen cada vez mayor, por lo que la temperatura siempre bajaba. Finalmente, la temperatura y la densidad habían bajado lo suficiente como para que los gluones comenzaran a establecerse y a unir los quarks en nucleones individuales. Cuando esto sucedió, de repente, los fotones podían viajar largas distancias sin obstáculos. El universo se volvió transparente.

Además, a medida que el universo se expande, las longitudes de onda de los fotones también se estiran, por lo que los fotones se vuelven menos enérgicos. Podemos usar la energía de los fotones emitidos por un objeto (un “cuerpo negro”) para medir su temperatura.

Cuando un astrónomo mira una imagen del fondo cósmico de microondas, está mirando la luz de este evento, cuando el universo se volvió transparente por primera vez. Antes de volverse transparente, el universo era solo una sopa de quarks, antiquarks, gluones, fotones, neutrinos, antineutrinos, positrones y electrones.

Espero haber respondido a su pregunta y haber dado suficiente contexto sobre por qué tiene sentido.

La respuesta varía en gran medida con los tipos de partículas involucradas, las interacciones fundamentales que median la aniquilación, los productos finales de la aniquilación y varios otros factores.

Un ejemplo simple y bien conocido: en el positronio, que es un estado unido de un electrón y un positrón (anti-electrón), las dos partículas generalmente se aniquilan entre sí, en promedio, después de 100 picosegundos o 100 nanosegundos (estimaciones muy aproximadas !), dependiendo de varios factores.

Suponiendo que esta pregunta sea sobre cuánto tiempo tardaría en aniquilarse completamente un gran bulto de antimateria al golpearlo con aire, la respuesta es bastante tiempo. En realidad, una cantidad muy pequeña de aire golpea algo, 3,88 * 10 ^ 13 moléculas por cm en cubos por segundo (Teoría cinética de los gases), y lleva mucho tiempo poder eliminar por completo una bola de antimateria (que tiene miles de millones de veces que muchas moléculas). Según mis cálculos, una esfera de radio de 1 metro tardaría casi 40 siglos en eliminarse por completo al golpearla.

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