Hvorfor tilintetgør stof og antistof hinanden?

Hej Spørg om Fysik
Jeg er en dreng på 13 år, der er meget interesseret i partikelfysik, og jeg har et spørgsmål omkring annihilation mellem stof og antistof.

Hvis f.eks. en proton og en antiproton kommer i kontakt, så vil de udslette hinanden i ren energi. Dette er en kvantemekanisk egenskab ved stof og antistof. Men hvad er forklaringen på denne egenskab?

Jeg ved godt, at når en partikel, og en antipartikel, kommer i kontakt, vil alt deres masse omdannes til ren energi, ifølge einstein's Ligning E=mc^2. Men mit spørgsmål er, hvorfor deres masse omdannes til energi. Hvad skyldes denne egenskab?

Med venlig hilsen
E K.

Jeg tror det nemmeste er, at besvare dit spørgsmål ved at bryde det ned i underspørgsmål:

- Hvad sker der, når to (eller flere) partikler kolliderer?

Hver partikel har en masse-energi (E=mc²), noget bevægelses-energi, og så har den forskellige ladninger (elektrisk, noget der hedder farve, "colour", og noget der hedder smag, "flavour").

Al den energi og ladning støder nu sammen, og kvantemekanikken og Einsteins specielle relativitetsteori siger så, at summen af energien og summen af hver slags ladning er bevaret i en kollision. Det er en af fysikkens love, der er ikke noget at gøre!

Men fysikken siger også, at ud af sådan en kollision kan så komme enhver kombination af partikler, som sammenlagt har den samme energi, og de samme ladninger som de oprindelige partikler. Og kvantemekanikken bestemmer, hvor ofte hver mulighed kommer ud.

- Hvad betyder det så, at to partikler annihilerer?

I denne her forbindelse betyder det, at to partikler støder sammen, og bliver til kun lyspartikler, dvs. partikler, der ikke har ladning.

De har bare energi, og den energi er ganske rigtigt givet ved energien af de to partikler, der stødte sammen. Denne energi bliver så fordelt mellem lyspartiklerne. Det er annihilation.

- Hvad skal der til, for at en partikel kan annihilere en anden?

Jamen, det betyder jo så, at når man lægger de to partiklers ladninger sammen (både elektrisk, smag og farve), så skal det give 0. Ellers kan man ikke have annihilation. Så hvis den ene har +1, så skal den anden have -1. Eller +2 og -2 osv.

Men den partikel, som har præcis samme ladninger men med modsat fortegn, er jo netop anti-partiklen. Derfor er det netop anti-partiklen, der annihilerer partiklen (faktisk er det en mulig definition af, hvad det vil sige at være anti-partikel til en partikel). Elektronen er positronens anti-partikel. Men samtidig er positronen jo elektronens.

Fotonen, lyspartiklen er sin egen anti-partikel.

Så alle slags partikler kan kollidere med hinanden og skabe andre partikler, men kun en partikel med dens antipartikel kan blive til kun lys-partikler.

Med venlig hilsen
Anders Tranberg