Vernichtet ein Teilchen nur mit seinem Antiteilchen? Wenn ja, warum?

Es hängt von Ihrer Definition von Vernichtung ab. Aber mikroskopisch werden alle Prozesse durch solche Feynman-Diagramme beschrieben

von denen das letzte die Elektron-Positron-Vernichtung beschreibt (wenn da nicht der Tippfehler im ausgehenden Photon wäre). Aber wie Sie sehen können, ist alles eine einfache Frage, wie Sie Ihren Kopf umdrehen, und genau das gleiche Diagramm stellt die Emission (oder Absorption) von Photonen durch Elektron (oder Positron) dar. Vernichtet sich ein Elektron mit einem Photon und erzeugt ein brandneues Elektron? So kann man es sicherlich interpretieren. Mit anderen Worten, es ist nur eine Frage der Terminologie und Interpretation. Die tatsächliche Physik hängt nicht davon ab, wie Sie den Prozess nennen. Es ist in der zugrunde liegenden Mathematik der Quantenfeldtheorie (QFT) kodiert.

Die Pointe ist auf jeden Fall, dass die Vernichtung (im strengen Sinne der unelastischen Teilchen-Antiteilchen-Kollision) keinen besonderen Platz im Vokabular eines Menschen einnimmt, sobald er seine QFT und Teilchenphysik gelernt hat. Es ist nur eine bestimmte Art von Interaktion. Sie können also genauso gut fragen, welche willkürlichen Interaktionen erlaubt sind. Und die Antwort darauf ist: Es gibt ziemlich viele davon und sie werden durch das Standardmodell beschrieben. Aber das grundlegende Bild ist, dass Teilchen unter bestimmten Ladungen aufgeladen werden können: entweder die bekannten elektromagnetischen oder weniger bekannten schwachen und starken Ladungen. Oder in modernerer Sprache, ob einige Partikelfamilien unter einer Eichgruppe ein Multiplett bilden. Für schwache Kraft mit der Gruppe SU(2) erhält man Lepton- (zB Elektron-Neutrino) und Quark- (zB Up-Down) Dubletten.

In jedem Fall gibt es für jedes Multiplett ein Diagramm wie das obige, in dem Sie zwei geladene Teilchen und ein vermittelndes Teilchen dazwischen haben (Photon, schwache Bosonen oder Gluonen). Außerdem können Sie auch lustigere Diagramme mit zB drei oder vier Gluonlinien erhalten. Aber das war's, das sind alles zulässige Interaktionen des Standardmodells.

Alle gegebenen Antworten sind großartige Antworten, sobald man sich etwas modernen physikalischen Hintergrund und Mathematik angeeignet hat. Für einen aufstrebenden jungen Physiker könnten sie ein großer Bissen sein. Ich biete also noch einmal die einfachere "alltägliche" Interpretation an.

Wenn Teilchen interagieren, sprechen wir von der Streuung eines Teilchens mit dem anderen und haben Maschinen gebaut, die das tun. Streuungen werden mit den entwickelten Theorien gut beschrieben, wie in der Antwort von Marek, und wenn man mit "Vernichtung" meint, dass ein Teilchen verschwindet und zu einem anderen Teilchen wird, kann es so passieren.

"Echte" Vernichtung findet statt, wird experimentell gemessen, wenn alle Quantenzahlen, die die zwei ankommenden wechselwirkenden Teilchen beschreiben, im Wechselwirkungsbereich 0 werden und die Ausgabe Photonen sind, wie im Fall der Elektron-Positron-Vernichtung bei niedriger Energie, und/oder ein Bündel von Teilchen, deren Quantenzahlen sich bei Energien, die ihre Entstehung erlauben, zu 0 summieren.

Wenn also die beiden einfallenden Teilchen gleiche und entgegengesetzte Quantenzahlen haben, die sie im Standardmodell beschreiben, nennen Experimentalisten die Wechselwirkungsvernichtung, wenn es sich nicht um eine elastische Streuung handelt. Elastische Streuung behält die Quantenzahlen der beiden einfallenden Teilchen ganz oder teilweise bei. Es kann passieren, dass aus einem Antiproton ein Antineutron wird, das zum Beispiel die Baryonenzahl behält. Die Prozesse lassen sich nur durch weitergehendes Studium mit Diagrammen der von Marek gezeigten Art entwirren.

„Im Herbst 1940 erhielt Feynman einen Telefonanruf von John Wheeler [Feynmans Doktorvater] am Graduate College in Princeton, in dem er [Wheeler] sagte, er wisse, warum alle Elektronen die gleiche Ladung und die gleiche Masse haben. 'Warum?' fragte Feynman und Wheeler antwortete: ‚Weil sie alle ein und dasselbe Elektron sind.'“ – Jagdish Mehra

Was Wheeler meinte, war, dass die Vernichtung eines Elektrons und eines Positrons dadurch beschrieben werden kann, dass das Elektron zeitlich rückwärts gestreut wird. Ein Elektron, das vorbeigeht, sieht aus wie ein Positron, das in die Zukunft geht.

Ein zurückhaltender Kommentar zu Mareks Aussage, dass „mikroskopisch alle Prozesse durch Feynman-Diagramme wie diese beschrieben werden ...“ Machen Sie dies: Die Amplitude, die mit einem Streuereignis (mit gegebener Anzahl und Art von ein- und ausgehenden Teilchen) verbunden ist, kann berechnet werden durch Summieren über eine unendliche Reihe komplexer Zahlen, die jeweils durch ein Feynman-Diagramm dargestellt werden.