Sự hủy diệt vật chất-phản vật chất

Sự hủy cặp proton-phản proton

Khi một proton gặp phản hạt của nó (và thông thường hơn, nếu bất kỳ loại baryon nào gặp bất kỳ loại phản baryon nào), phản ứng sẽ không đơn giản như sự hủy cặp electron-positron. Không giống electron, proton là một hạt hỗn hợp bao gồm 3 "quark hóa trị" và một số lượng trung gian "biển quark" giới hạn bởi gluons. Do vậy, khi một proton gặp một phản proton, một trong các quark hóa trị thành phần có thể hủy diệt với một phản quark, trong khi số quark và phản quark còn lại sẽ sắp xếp lại để tạo ra meson (nhiều nhất là pion và kaon). Các meson mới không bền, và sẽ bị phân hủy trong một loạt phản ứng và cuối cùng sẽ chỉ sinh ra tia gamma, electron, positron và neutrino. Loại phản ứng này sẽ xảy ra giữa bất kỳ baryon (loại hạt có 3 quark) và bất kỳ phản baryon nào (có chứa 3 phản quark). Phản proton có thể hủy với neutron, và tương tự proton có thể hủy với phản neutron, như thảo luận bên dưới.
Đây là những đặc điểm của phản ứng tạo meson. Proton chứa 2 quark lên và 1 quark xuống, trong khi phản proton chứa 2 phản quark lên và 1 phản quark xuống. Tương tự, neutron chứa 1 quark lên và 2 quark xuống, trong khi phản neutron chứa 1 phản quark lên và 2 phản quark xuống. Lực hạt nhân mạnh cung cấp sự hấp dẫn mạnh giữa quark và phản quark,do vậy khi một proton tiếp xúc với một phản proton trong khoảng mà lực hạt nhân phát huy (dưới 1 fermi), các quark có xu hướng hủy cặp với phản quark, tạo nên 3 pion. Năng lượng giải phóng của phản ứng là trọng yếu, vì khối lượng nghỉ của 3 pion nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của một proton và một phản proton. Năng lượng có thể giải phóng trực tiếp bởi sự hủy trực tiếp giữa quark và phản quark. Năng lượng dư có thể chuyển thành động năng của 3 pion giải phóng, bị phóng xạ thành tia gamma, hoặc dùng trong sự tái tạo cặp quark-phản quark. Khi sự hủy cặp proton-phản proton tương đối còn lại 1 cặp khác, cặp mới này có thể được kết hợp bởi quark lên, xuống hoặc quark lạ. Các loại quark khác quá nặng để có thể tạo ra trong phản ứng này, trừ phi các phản proton tình cờ có động năng lớn hơn rất nhiều so với khối lượng nghỉ của nó, và di chuyển gần bằng vận tốc ánh sáng. Các quark và phản quark mới bắt cặp nhau trở thành meson, sinh ra thêm pion và kaon. Phản ứng hủy cặp proton-phản proton sinh ra 9 meson đã được quan sát, trong khi phản ứng tạo ra 13 meson trong lý thuyết có thể xảy ra. Meson được tạo ra ra khỏi vùng hủy diệt với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng, rồi bị phân hủy tùy vào thời gian sống của mỗi loại meson được phóng ra.
Phản ứng tương tự sẽ xảy ra khi một phản nucleon hủy với một hạt nhân nguyên tử phức tạp hơn, bảo toàn các meson, trở nên tương tác mạnh, có xác suất khá cao là bị hấp thụ bởi một trong các nucleon ngoại hơn là giải thoát. Vì năng lượng hấp thụ có thể xấp xỉ 2 GeV, năng lượng liên kết có thể vượt quá mức nguyên lý, ngay cả với các nucleon nặng nhất. Do vậy, khi một phản proton hủy trong một hạt nhân nặng như uranium hay plutonium, Sự phá vỡ một phần hay toàn hạt nhân có thể xảy ra, giải phóng một lượng lớn neutron nhanh. Do phản ứng có thể mở một khả năng gây nên một lượng đáng kể phản ứng phân hạch thứ cấp trong khối lượng giới hạn phụ, và có tiềm năng hữu ích cho việc phóng tàu vũ trụ.