Аннигилирует ли частица только со своей античастицей? Если да, то почему?

Это зависит от вашего определения уничтожения. Но микроскопически все процессы описываются диаграммами Фейнмана, такими как эти

из которых последний описывает аннигиляцию электрона позитрона (если бы не опечатка в уходящем фотоне). Но, как видите, все дело в том, как вы повернете голову, и та же самая диаграмма представляет испускание (или поглощение) фотона электроном (или позитроном). Аннигилирует ли электрон с фотоном и создает ли новый электрон? Вы, конечно, можете интерпретировать это таким образом. Другими словами, это всего лишь вопрос терминологии и интерпретации. Реальная физика не зависит от того, как вы называете процесс. Он закодирован в базовой математике квантовой теории поля (КТП).

В любом случае кульминацией является то, что аннигиляция (в строгом смысле слова неупругое столкновение частица-античастица) не занимает особого места в чьем-то лексиконе после того, как он изучит свою КТП и физику элементарных частиц. Это просто один из видов взаимодействия. Таким образом, вы могли бы также спросить, какие произвольные взаимодействия разрешены. И ответ на это: их довольно много и они описываются Стандартной моделью. Но основная картина такова, что частицы могут быть заряжены определенными зарядами: либо привычными электромагнитными, либо менее привычными слабыми и сильными зарядами. Или, выражаясь более современным языком, образуют ли некоторые семейства частиц мультиплет под некоторой калибровочной группой. Для слабого взаимодействия с группой SU(2) вы получаете лептонные (например, электрон-нейтрино) и кварковые (например, вверх-вниз) дублеты.

В любом случае, для каждого мультиплета есть диаграмма, подобная приведенной выше, где у вас есть две заряженные частицы и одна частица-посредник между ними (фотон, слабые бозоны или глюоны). Помимо этого, вы также можете получить более забавные диаграммы, например, с тремя или четырьмя глюонными линиями. Но это все разрешенные взаимодействия Стандартной модели.

Все данные ответы являются отличными ответами, если вы приобрели некоторые знания в области современной физики и математики. Для начинающего молодого физика они могут оказаться слишком большими. Поэтому еще раз предложу более простую «бытовую» интерпретацию.

Когда частицы взаимодействуют, мы говорим об этом как о рассеянии одной частицы на другой, и мы построили машины, которые это делают. Рассеяния хорошо описываются развитыми теориями, как в ответе Марека, и если под «аннигиляцией» подразумевается, что частица исчезает и становится другой частицей, так это и может происходить.

«Настоящая» аннигиляция происходит, измеряется экспериментально, когда все квантовые числа, описывающие две входящие взаимодействующие частицы, становятся равными 0 в области взаимодействия, а выходом являются фотоны, как в случае электрон-позитронной аннигиляции при низкой энергии, и/или сгусток частиц, квантовые числа которых в сумме равны 0 при энергиях, допускающих их рождение.

Поэтому, когда две влетающие частицы имеют равные и противоположные квантовые числа, которые описывают их в Стандартной модели, экспериментаторы называют взаимодействие аннигиляцией, если это не упругое рассеяние. Упругое рассеяние полностью или частично сохраняет квантовые числа двух падающих частиц. Может случиться так, что антипротон станет антинейтроном, например, сохранив барионное число. Процессы могут быть распутаны только при дальнейшем изучении диаграмм типа, показанного Мареком.

«Осенью 1940 года Фейнман получил телефонный звонок от Джона Уилера [научный руководитель Фейнмана] из Высшего колледжа в Принстоне, в котором он [Уилер] сказал, что знает, почему все электроны имеют одинаковый заряд и одинаковую массу. 'Почему?' — спросил Фейнман, и Уилер ответил: «Потому что все они — один и тот же электрон». — Джагдиш Мехра.

Уилер имел в виду, что аннигиляцию электрона и позитрона можно описать, говоря, что электрон рассеивается назад во времени. Электрон, идущий в прошлое, похож на позитрон, идущий в будущее.

Анальный запоминающийся комментарий к утверждению Марека о том, что «микроскопически все процессы описываются диаграммами Фейнмана, такими как эти...» Сделайте так: амплитуду, связанную с событием рассеяния (с заданными числами и видами входящих и исходящих частиц), можно рассчитать с помощью суммирование бесконечного ряда комплексных чисел, каждое из которых представлено диаграммой Фейнмана.