В физике элементарных частиц аннигиляция — это процесс, который происходит, когда субатомная частица сталкивается со своей соответствующей античастицей , чтобы произвести другие частицы, например, электрон сталкивается с позитроном, чтобы произвести два фотона . [1] Полная энергия и импульс исходной пары сохраняются в процессе и распределяются среди набора других частиц в конечном состоянии. Античастицы имеют точно противоположные аддитивные квантовые числа от частиц, поэтому суммы всех квантовых чисел такой исходной пары равны нулю. Следовательно, может быть произведен любой набор частиц, полные квантовые числа которых также равны нулю, пока соблюдаются законы сохранения энергии , сохранения импульса и сохранения спина . [2]
Во время низкоэнергетической аннигиляции благоприятствует образованию фотонов , поскольку эти частицы не имеют массы. Коллайдеры высокоэнергетических частиц производят аннигиляции, в которых создается широкий спектр экзотических тяжелых частиц.
Слово «аннигиляция» неформально используется для обозначения взаимодействия двух частиц, которые не являются взаимными античастицами – не сопряжены по заряду . Некоторые квантовые числа могут не давать в сумме ноль в начальном состоянии, но сохраняться с теми же суммами в конечном состоянии. Примером может служить «аннигиляция» высокоэнергетического электронного антинейтрино с электроном с образованием W − бозона .
Если аннигилирующие частицы являются составными , например, мезонами или барионами , то в конечном состоянии обычно образуется несколько различных частиц.
Обратным процессом аннигиляции является рождение пар — процесс, в котором фотон высокой энергии преобразует свою энергию в массу.
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 эта созданная частица будет продолжать существовать до тех пор, пока не распадется в соответствии со своим временем жизни . В противном случае процесс понимается как первоначальное создание бозона, который является виртуальным , который немедленно преобразуется в реальную пару частица + античастица. Это называется s-канальным процессом. Примером является аннигиляция электрона с позитроном для создания виртуального фотона, который преобразуется в мюон и антимюон. Если энергия достаточно велика,Зможет заменить фотон.
Когда электрон с низкой энергией аннигилирует с позитроном (антиэлектроном) с низкой энергией, наиболее вероятным результатом является создание двух или более фотонов , поскольку единственными другими конечными частицами Стандартной модели, для создания которых электроны и позитроны несут достаточно массы-энергии , являются нейтрино , которые примерно в 10 000 раз менее вероятны для создания, а создание только одного фотона запрещено законом сохранения импульса — один фотон будет нести ненулевой импульс в любой системе отсчета , включая систему центра импульса , где полный импульс равен нулю. Как аннигилирующие электрон, так и позитронные частицы имеют энергию покоя около 0,511 миллиона электрон-вольт (МэВ). Если их кинетические энергии относительно незначительны, эта полная энергия покоя проявляется как энергия фотона произведенных фотонов. Тогда каждый из фотонов имеет энергию около 0,511 МэВ. Импульс и энергия сохраняются, причем энергия фотона 1,022 МэВ (что соответствует энергии покоя частиц) движется в противоположных направлениях (что соответствует общему нулевому импульсу системы) [3] .
Если одна или обе заряженные частицы несут большее количество кинетической энергии, могут быть получены различные другие частицы. Более того, аннигиляция (или распад) пары электрон-позитрон в один фотон может происходить в присутствии третьей заряженной частицы, которой избыточный импульс может быть передан виртуальным фотоном от электрона или позитрона. Обратный процесс, рождение пары одним реальным фотоном, также возможен в электромагнитном поле третьей частицы.
Когда протон сталкивается со своей античастицей (и, в более общем смысле, если какой-либо вид бариона сталкивается с соответствующим антибарионом ), реакция не так проста, как аннигиляция электрона и позитрона. В отличие от электрона, протон является составной частицей, состоящей из трех « валентных кварков » и неопределенного числа « морских кварков », связанных глюонами . Таким образом, когда протон сталкивается с антипротоном, один из его кварков, обычно составной валентный кварк, может аннигилировать с антикварком ( который реже может быть морским кварком), чтобы произвести глюон, после чего глюон вместе с оставшимися кварками, антикварками и глюонами подвергнется сложному процессу перестройки (называемой адронизацией или фрагментацией ) в ряд мезонов (в основном пионов и каонов ), которые будут делить общую энергию и импульс. Вновь созданные мезоны нестабильны, и если они не столкнутся и не взаимодействуют с каким-либо другим материалом, они распадутся в серии реакций, которые в конечном итоге произведут только фотоны , электроны , позитроны и нейтрино . Этот тип реакции 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 бариона и антибариона достаточно экзотичен, чтобы они не разделяли составные ароматы кварков.) Антипротоны могут и аннигилируют с нейтронами , и аналогичным образом антинейтроны могут аннигилировать с протонами, как обсуждается ниже.
Наблюдались реакции, в которых аннигиляция протона и антипротона производит до 9 мезонов, тогда как теоретически возможно образование 13 мезонов. Образованные мезоны покидают место аннигиляции со средней скоростью, составляющей доли скорости света, и распадаются с любой продолжительностью жизни, соответствующей их типу мезона. [4]
Похожие реакции будут происходить, когда антинуклон аннигилирует внутри более сложного атомного ядра , за исключением того, что полученные мезоны, будучи сильно взаимодействующими , имеют значительную вероятность быть поглощенными одним из оставшихся нуклонов-"наблюдателей", а не вырваться. 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, высвобождая большое количество быстрых нейтронов. [5] Такие реакции открывают возможность для запуска значительного количества вторичных реакций деления в подкритической массе и могут потенциально быть полезны для движения космических аппаратов . [ требуется ссылка ]
При столкновениях двух нуклонов при очень высоких энергиях морские кварки и глюоны, как правило, доминируют в скорости взаимодействия, поэтому ни один нуклон не должен быть античастицей для аннигиляции пары кварков или «слияния» двух глюонов. Примеры таких процессов способствуют образованию долгожданного бозона Хиггса . Хиггс напрямую производится очень слабо путем аннигиляции легких (валентных) кварков, но тяжелыхтилибдоступны море или рожденные кварки. В 2012 году лаборатория ЦЕРН в Женеве объявила об открытии бозона Хиггса в осколках протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере (БАК). Самый сильный выход бозона Хиггса происходит из-за слияния двух глюонов (через аннигиляцию пары тяжелых кварков), в то время как два кварка или антикварка производят более легко идентифицируемые события через излучение бозона Хиггса рожденным виртуальным векторным бозоном или аннигиляцию двух таких векторных бозонов.
