Электрон-позитронная аннигиляция происходит, когда электрон (
е−
) и позитрон (
е+
, античастица электрона ) сталкиваются. При низких энергиях результатом столкновения является аннигиляция электрона и позитрона и рождение энергичных фотонов :
При высоких энергиях могут создаваться другие частицы, такие как B-мезоны или W- и Z-бозоны . Все процессы должны удовлетворять ряду законов сохранения , в том числе:
Как и любые два заряженных объекта, электроны и позитроны могут взаимодействовать друг с другом без аннигиляции, как правило, за счет упругого рассеяния .
Существует лишь очень ограниченный набор возможностей для конечного состояния. Наиболее вероятным является рождение двух и более гамма-фотонов. Сохранение энергии и импульса запрещают создание только одного фотона. (Исключение из этого правила может иметь место для прочно связанных атомных электронов. [1] ) В наиболее распространенном случае создаются два гамма-фотона, каждый с энергией , равной энергии покоя электрона или позитрона (0,511 МэВ ). [2] Удобная система отсчета — та, в которой система не имеет чистого линейного импульса до аннигиляции; таким образом, после столкновения гамма-фотоны испускаются в противоположных направлениях. Также часто создаются три, поскольку в некоторых состояниях углового момента это необходимо для сохранения четности заряда . [3] Также возможно создать любое большее количество фотонов, но вероятность становится ниже с каждым дополнительным гамма-фотоном, поскольку эти более сложные процессы имеют меньшие амплитуды вероятности .
Поскольку нейтрино также имеют меньшую массу, чем электроны, также возможно – но крайне маловероятно – что в результате аннигиляции образуется одна или несколько пар нейтрино- антинейтрино . Вероятность такого процесса примерно в 10 000 раз меньше, чем аннигиляция в фотоны. То же самое можно сказать и о любых других частицах, которые являются такими же легкими, если они имеют хотя бы одно фундаментальное взаимодействие с электронами и никакие законы сохранения не запрещают этого. Однако другие подобные частицы неизвестны.
Если электрон или позитрон, или оба, имеют значительную кинетическую энергию , другие более тяжелые частицы также могут быть созданы (например, D-мезоны или B-мезоны ), поскольку в относительных скоростях достаточно кинетической энергии, чтобы обеспечить энергию покоя этих частиц. . Альтернативно, можно производить фотоны и другие легкие частицы, но они будут появляться с более высокими кинетическими энергиями.
При энергиях, близких к массе носителей слабого взаимодействия , W- и Z-бозонов , сила слабого взаимодействия становится сравнимой с электромагнитной силой. [3] В результате становится намного проще создавать такие частицы, как нейтрино, которые лишь слабо взаимодействуют с другим веществом.
Самые тяжелые пары частиц, полученные в результате электрон-позитронной аннигиляции в ускорителях частиц :
Вт+
–
Вт−
пары (масса 80,385 ГэВ/c 2 × 2). Самая тяжелая однозарядная частица — Z-бозон (масса 91,188 ГэВ/с 2 ). Движущей силой создания Международного линейного коллайдера является производство бозонов Хиггса (масса 125,09 ГэВ/с 2 ) таким способом. [ нужна цитата ]
Процесс электрон-позитронной аннигиляции — это физическое явление, положенное в основу позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и позитронно-аннигиляционной спектроскопии (ПАС). Он также используется в качестве метода измерения поверхности Ферми и зонной структуры в металлах с помощью метода, называемого угловой корреляцией электрон-позитронного аннигиляционного излучения . Он также используется для ядерного перехода. Позитронно-аннигиляционная спектроскопия применяется также для изучения кристаллографических дефектов в металлах и полупроводниках; он считается единственным прямым зондом дефектов вакансионного типа. [4]
Обратная реакция, рождение электрона-позитрона, представляет собой форму образования пар, регулируемую двухфотонной физикой .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )