aniquilação de antimatéria em estrelas

Os elétrons se aniquilam com pósitrons produzidos através de processos de fusão nas estrelas. Que interação de partículas produz novos elétrons para que o sol não se esgote de elétrons? Ou algo está acontecendo completamente?

Ciclos regulares de fusão nas estrelas produzem neutrinos e pósitrons como subprodutos. Esses pósitrons se aniquilam com elétrons que já estão no plasma da estrela para produzir a luz que eventualmente vemos. Como esses elétrons são substituídos?

antimatter Josh Bilak
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Você pode confundir fusão regular (que acontece em estrelas regulares como o sol) com estrelas de produção de pares - estrelas enormes com densidade de energia tão alta em seus núcleos que produzem espontaneamente pares de elétrons-pósitrons.

antlersoft 6/09/19

Josh Bilak

Eu inseri seu esclarecimento no comentário em sua pergunta. Não quero remover significados possivelmente importantes, mas acho que o texto deve ficar mais claro agora. Sinta-se à vontade para editá-lo e fazê-lo dizendo exatamente o que você deseja saber.

peterh - Restabelece Monica

Respostas:

A cadeia próton-próton finalmente converte quatro prótons em um núcleo de hélio. A carga dos 4 prótons foi balanceada por 4 elétrons, mas o hélio contém 2 prótons (e 2 nêutrons), portanto, ele precisa apenas de 2 elétrons para ser balanceado.

Como você aponta, o processo de conversão de um próton em um nêutron libera um pósitron (e um neutrino eletrônico), e esse pósitron rapidamente se aniquila com um elétron.

Aqui está o diagrama dessa página da Wikipedia da principal cadeia de páginas.

Portanto, o processo consome 6 prótons e emite 2 prótons, um núcleo de hélio e 2 pósitrons (mais alguns neutrinos) e dois fótons gama. Os pósitrons se aniquilam com 2 elétrons, liberando mais fótons gama (geralmente 2 ou 3 cada, dependendo dos alinhamentos de rotação do pósitron e elétron).

Se você somar tudo, verá que o saldo da carga eletromagnética permanece inalterado.

Começamos com 4 prótons, que são balanceados por 4 elétrons próximos no plasma do núcleo estelar. (Podemos ignorar o par intermediário de hidrogênio que é reemitido). Acabamos com um núcleo de hélio que precisa apenas de 2 elétrons para ser eletricamente balanceado; portanto, se esses outros 2 elétrons não foram aniquilados, a estrela acumularia um excesso de carga negativa.

PM 2Ring
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Isso esclarece como a conservação de carga não é violada e fornece mais detalhes ao processo geral, mas se estamos constantemente perdendo os pares de elétrons que você mencionou, como a estrela tem elétrons após bilhões de anos de queima? eles são trazidos de volta ao ciclo de uma reação de nêutrons para prótons / elétron / neutrinos? Se sim, o que desencadeia isso? Caso contrário, há alguma outra reação acontecendo que produz elétrons?

Josh Bilak

@ Josh Não, os elétrons são essencialmente consumidos pelo processo de criação de nêutrons. Mas por que isso é um problema? Uma estrela geralmente queima menos de 50% de seu suprimento original de hidrogênio ao longo de sua vida útil.

usar o seguinte comando

10^{26}

$10^{26}$

Então a nucleossíntese estelar está gradualmente reduzindo o número de elétrons e prótons no universo, mas aumentando o número de nêutrons. Quando uma estrela de nêutrons se forma, um monte de prótons + elétrons são rapidamente convertidos em nêutrons (mais neutrinos). Em algumas estrelas muito grandes, os raios gama de alta energia criam pares elétron + pósitron, mas logo se aniquilam, criando mais gama, e esse processo não dura muito, pois essas estrelas logo explodem em uma supernova de instabilidade de pares , que totalmente os separa.

usar o seguinte comando

@ JoshBilak Acho que o ponto é que sim, a estrela está esgotando seus elétrons, mas exatamente na mesma proporção em que está esgotando seus prótons; eles permanecem em equilíbrio. Portanto, não há possibilidade de acabar com a estrela "acabando" com elétrons; para fazer isso, também teria que converter todos os prótons em nêutrons, o que obviamente não acontece.

Ben

Eles não são substituídos.

A fusão em estrelas comuns significa, na verdade, muitos processos, os neutrinos estão envolvidos mais comumente nestes:

$p + p \rightarrow D + \nu_e + e^+$
$T \rightarrow He_3 + \nu_e + e^+$

$e^- + e^+ \rightarrow 2 \gamma$

$c$

$\beta^+$ $\nu_e$

$n \rightarrow p + e + \nu_e$ $p \rightarrow n + \overline{\nu_e} + e^+$ $W^+$ $W^-$ $Z^0$

Sempre que um elétron é criado, também é criado um antineutrino de elétrons. O importante é que os dois permaneçam iguais:

o número de lepton (contagem total de elétrons e neutrinos de elétrons, antipartículas contam negativamente)
e a carga elétrica (elétron: -1, pósitron: +1, próton: +1, nêutron: 0, neutrinos: 0)

Todas as reações nas estrelas mantêm essas leis.

Ps estrelas estão fundindo principalmente hidrogênio a elementos mais pesados. O hidrogênio não possui nêutrons, todos os elementos mais pesados (normalmente, à medida que o número de prótons dos núcleos cresce, também a proporção de nêutrons cresce com ele). Assim, a tendência a longo prazo é realmente que a contagem de elétrons e prótons esteja diminuindo nas estrelas, enquanto a contagem de nêutrons cresce. Nada os substitui. O fim último, que é possível apenas em estrelas maiores (muito maiores que o Sol), são as estrelas de nêutrons, que possuem poucos elétrons (e prótons) e a estrela é principalmente uma grande bola de nêutrons.

peterh - Restabelecer Monica
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Assim, os elétrons já presentes no plasma estelar interagem com os pósitrons que provêm da reação p → n + νe + e +. Essa aniquilação da radiação gama não causa a destruição dos elétrons? Se isso acontecer, os elétrons originalmente na estrela da nebulosa da qual se formou acabariam eventualmente se alguma outra reação comum na estrela não fornecesse mais. a reação n → p + ve + e os reabastece? Entendo que a estrela não viola as leis de conservação. Você pode esclarecer, não como a carga é conservada, mas como os elétrons reais permanecem na estrela.

Josh Bilak

@ JoshBilak Não, elétron + pósitron cria dois fótons gama. Não expliquei essa versão no post, mas não expliquei. Sim, a aniquilação destrói elétrons, mas também destrói o mesmo número de pósitrons. O plasma estelar é uma sopa de muitas partículas, e a aniquilação de pósitrons com elétrons tem uma probabilidade muito alta (comparada às outras reações). Assim, os poucos pósitrons criados vivem muito pouco antes da aniquilação (talvez nanossegundos). Mas isso não é importante, mas que o número total de lepton e a carga elétrica total são preservados nas reações.

peterh - Restabelece Monica

A carga é convertida porque, conforme detalhamos as diferentes reações possíveis, todas elas, não conseguimos encontrar uma única que viole a conservação da carga. O fato de os elétrons não estarem esgotados na estrela não seria um requisito estrito. O requisito estrito é que a carga e o número de lepton sejam conservados. Os elétrons permanecem apenas porque é a única maneira de manter as leis de conservação. Mas há uma exceção: existe uma maneira única de uma estrela destruir (quase) todos os seus elétrons: se "unir" seus prótons em nêutrons. Isso também destrói (quase) todos os

peterh - Reinstate Monica

prótons (e cria uma massa tão grande de neutrinos que podemos detectá-la a bilhões de anos-luz de distância). Note que, como escrevi no post, a reação real é mais complexa, apenas o resultado final é que elétron + próton -> nêutron + neutrino! Isso acontece em explosões de supernovas. O resultado é que a sopa de prótons e elétrons se torna uma bola neutra de nêutrons. Essa é a estrela de nêutrons. O último que pudemos ver aconteceu em 1987 (para nós, na verdade, aconteceu muitos milênios atrás).

peterh - Restabelece Monica

O Sol é muito pouco para se tornar uma estrela de nêutrons, mas estrelas maiores podem. O problema é que o nêutron tem uma massa um pouco maior que o próton, portanto muitos nêutrons não gostam de existir juntos na estrela. O nêutron livre decai para um próton + elétron + neutrino com cerca de 20 minutos de meia vida, em alguns núcleos ricos em nêutrons eles podem existir por mais tempo (por exemplo, o trítio possui 1 próton e 2 nêutrons, decai com 12 anos de meia vida), mas somente os processos nucleares não podem criar nêutrons demais. A estrela de nêutrons pode ser criada somente se houver algo que "compressas" os prótons

peterh - Reintegrar Monica

Estou roubando um pouco de outras respostas, apenas para esclarecer o ponto aqui. O que se segue não é exatamente como tudo acontece, mas deve esclarecer como os elétrons e pósitrons são equilibrados.

A chave da resposta está nesta parte da reação: dois átomos de hidrogênio se tornam um átomo de hidrogênio. Um átomo de hidrogênio é composto de um elétron e um próton e zero ou mais nêutrons. Agora, nesta etapa, em um átomo de hidrogênio, o próton se transforma em nêutron, emite um pósitron, que por sua vez pode aniquilar o elétron do referido átomo de hidrogênio. Assim, resulta em átomo de hidrogênio (com um próton e um nêutron e um elétron) e dois raios gama.

tuomas
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