В физике элементарных частиц аннигиляция — это процесс, который происходит, когда субатомная частица сталкивается со своей соответствующей античастицей , образуя другие частицы, например, когда электрон сталкивается с позитроном , образуя два фотона . [1] Полная энергия и импульс исходной пары сохраняются в процессе и распределяются среди множества других частиц в конечном состоянии. Античастицы имеют аддитивные квантовые числа, противоположные частицам, поэтому суммы всех квантовых чисел такой исходной пары равны нулю. Следовательно, может быть создан любой набор частиц, чьи полные квантовые числа также равны нулю, пока соблюдаются законы сохранения энергии , сохранения импульса и сохранения спина . [2]
Во время низкоэнергетической аннигиляции благоприятствует рождение фотонов , поскольку эти частицы не имеют массы. Коллайдеры частиц высоких энергий производят аннигиляцию, в результате которой создается широкий спектр экзотических тяжелых частиц.
Слово «аннигиляция» неофициально используется для обозначения взаимодействия двух частиц, которые не являются взаимными античастицами – не зарядово-сопряженными . Сумма некоторых квантовых чисел может не равняться нулю в начальном состоянии, но сохраняться с теми же суммами в конечном состоянии. Примером может служить «аннигиляция» электронного антинейтрино высокой энергии с электроном с образованием W - бозона .
Если аннигилирующие частицы являются составными , например, мезонами или барионами , то в конечном состоянии обычно образуется несколько разных частиц.
Если исходные две частицы являются элементарными (не составными), то они могут объединиться, чтобы произвести только один элементарный бозон , такой как фотон (γ), глюон (г),З, или бозон Хиггса (ЧАС0). Если полная энергия в системе центра импульса равна массе покоя реального бозона (что невозможно для безмассового бозона, такого какγ), то созданная частица будет продолжать существовать до тех пор, пока не распадется в соответствии со своим временем жизни . В противном случае под процессом понимают первоначальное создание виртуального бозона , который сразу же превращается в реальную пару частица + античастица. Это называется процессом s-канала . Примером может служить аннигиляция электрона с позитроном с образованием виртуального фотона, который превращается в мюон и антимюон. Если энергия достаточно велика,Зможет заменить фотон.
Когда электрон с низкой энергией аннигилирует позитрон с низкой энергией (антиэлектрон), наиболее вероятным результатом является создание двух или более фотонов , поскольку единственные другие частицы Стандартной модели в конечном состоянии, которые электроны и позитроны несут достаточно массы-энергии для производства. являются нейтрино , вероятность образования которых примерно в 10 000 раз меньше, а создание только одного фотона запрещено законом сохранения импульса - одиночный фотон будет иметь ненулевой импульс в любой системе отсчета , включая систему с центром импульса , где полный импульс обращается в нуль. . Как аннигилирующие электрон, так и позитронные частицы имеют энергию покоя около 0,511 миллиона электрон-вольт (МэВ). Если их кинетическая энергия относительно незначительна, эта общая энергия покоя выглядит как фотонная энергия произведенных фотонов. Тогда каждый из фотонов имеет энергию около 0,511 МэВ. Импульс и энергия сохраняются: энергия фотонов 1,022 МэВ (составляющая остальную энергию покоя частиц) движется в противоположных направлениях (что соответствует полному нулевому импульсу системы). [3]
Если одна или обе заряженные частицы несут большее количество кинетической энергии, могут возникнуть другие частицы. Кроме того, аннигиляция (или распад) электрон-позитронной пары в одиночный фотон может происходить при наличии третьей заряженной частицы, которой избыточный импульс может быть передан виртуальным фотоном от электрона или позитрона. Обратный процесс — рождение пары одним реальным фотоном — возможен и в электромагнитном поле третьей частицы.
Когда протон встречает свою античастицу (и, в более общем плане, если какой-либо вид бариона встречает соответствующий антибарион ), реакция не так проста, как электрон-позитронная аннигиляция. В отличие от электрона, протон — сложная частица , состоящая из трёх « валентных кварков » и неопределенного числа « морских кварков », связанных глюонами . Таким образом, когда протон сталкивается с антипротоном, один из его кварков, обычно составляющий валентный кварк, может аннигилировать с антикварком ( который реже может быть морским кварком) с образованием глюона, после чего глюон вместе с остальными кварками антикварки и глюоны претерпят сложный процесс перегруппировки (называемый адронизацией или фрагментацией ) в ряд мезонов (в основном пионов и каонов ), которые разделят общую энергию и импульс. Вновь созданные мезоны нестабильны, и если они не встретятся и не вступят во взаимодействие с каким-либо другим материалом, они будут распадаться в серии реакций, которые в конечном итоге производят только фотоны , электроны , позитроны и нейтрино . Реакция такого типа будет происходить между любым барионом (частицей, состоящей из трех кварков) и любым антибарионом, состоящим из трех антикварков, один из которых соответствует кварку в барионе. (Эта реакция маловероятна, если хотя бы один из барионов и антибарионов достаточно экзотичен и не имеет общих кварковых ароматов.) Антипротоны могут аннигилировать с нейтронами и аннигилируют с нейтронами , а также антинейтроны могут аннигилировать с протонами, как обсуждается ниже.
Наблюдались реакции, в которых в результате аннигиляции протона-антипротона образуется до 9 мезонов, тогда как теоретически возможно образование 13 мезонов. Образовавшиеся мезоны покидают место аннигиляции со скоростью умеренных долей скорости света и распадаются с тем временем жизни, которое соответствует их типу мезонов. [4]
Аналогичные реакции будут происходить, когда антинуклон аннигилирует внутри более сложного атомного ядра , за исключением того, что образующиеся мезоны, будучи сильно взаимодействующими , имеют значительную вероятность быть поглощенными одним из оставшихся нуклонов-«зрителей», а не ускользнуть. Поскольку поглощенная энергия может достигать ~2 ГэВ , она в принципе может превышать энергию связи даже самых тяжелых ядер. Таким образом, когда антипротон аннигилирует внутри тяжелого ядра, такого как уран или плутоний , может произойти частичное или полное разрушение ядра с высвобождением большого количества быстрых нейтронов. [5] Такие реакции открывают возможность запуска значительного количества вторичных реакций деления в докритической массе и потенциально могут быть полезны для движения космических кораблей . [ нужна цитата ]
При столкновениях двух нуклонов при очень высоких энергиях морские кварки и глюоны имеют тенденцию доминировать по скорости взаимодействия, поэтому ни один нуклон не обязательно должен быть античастицей, чтобы произошла аннигиляция пары кварков или «слияние» двух глюонов. Примеры таких процессов способствуют образованию долгожданного бозона Хиггса . Бозон Хиггса непосредственно образуется очень слабо при аннигиляции легких (валентных) кварков, но тяжелыхтилибДоступны морские или произведенные кварки. В 2012 году лаборатория ЦЕРН в Женеве объявила об открытии бозона Хиггса в обломках протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере (БАК). Самый сильный выход Хиггса происходит в результате слияния двух глюонов (через аннигиляцию пары тяжелых кварков), в то время как два кварка или антикварка производят более легко идентифицируемые события посредством излучения Хиггса созданным виртуальным векторным бозоном или аннигиляции двух таких векторных бозонов.
