Электронно-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 быть созданы другие частицы, такие как B-мезоны или W- и Z-бозоны . Все процессы должны удовлетворять ряду законов сохранения , включая:
Как и любые два заряженных объекта, электроны и позитроны могут также взаимодействовать друг с другом без уничтожения, в общем случае путем упругого рассеяния .
Существует лишь очень ограниченный набор возможностей для конечного состояния. Наиболее вероятным является создание двух или более гамма-фотонов. Сохранение энергии и линейный импульс запрещают создание только одного фотона. (Исключение из этого правила может иметь место для тесно связанных атомных электронов. [1] ) В наиболее распространенном случае создаются два гамма-фотона, каждый из которых имеет энергию , равную энергии покоя электрона или позитрона (0,511 МэВ ). [2] Удобной системой отсчета является та, в которой система не имеет чистого линейного импульса до аннигиляции; таким образом, после столкновения гамма-фотоны испускаются в противоположных направлениях. Также часто создается 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 более низкие амплитуды вероятности .
Поскольку нейтрино также имеют меньшую массу, чем электроны, также возможно — но крайне маловероятно — что аннигиляция приведет к образованию одной или нескольких пар нейтрино- антинейтрино . Вероятность такого процесса примерно в 10000 раз меньше, чем аннигиляция в фотоны. То же самое было бы верно для любых других частиц, которые являются такими же легкими, пока они разделяют по крайней мере одно фундаментальное взаимодействие с электронами и никакие законы сохранения не запрещают этого. Однако никаких других таких частиц не известно.
Если электрон или позитрон, или оба, имеют значительную кинетическую энергию , могут также быть получены другие более тяжелые частицы (такие как D-мезоны или B-мезоны ), поскольку в относительных скоростях достаточно кинетической энергии, чтобы обеспечить энергию покоя этих частиц. В качестве альтернативы можно производить фотоны и другие легкие частицы, но они будут появляться с более высокой кинетической энергией.
При энергиях, близких к массе носителей слабого взаимодействия , W- и Z-бозонов , и превышающих ее , сила слабого взаимодействия становится сравнимой с электромагнитной силой. [3] В результате становится намного проще производить частицы, такие как нейтрино, которые слабо взаимодействуют с другой материей.
Самые тяжелые пары частиц, которые когда-либо получались в результате аннигиляции электронов и позитронов в ускорителях частиц, — это
Вт+
–
Вт−
пары (масса 80,385 ГэВ/c 2 × 2). Самая тяжелая однозарядная частица — Z-бозон (масса 91,188 ГэВ/c 2 ). Движущей силой строительства Международного линейного коллайдера является получение бозонов Хиггса (масса 125,09 ГэВ/c 2 ) таким способом. [ необходима цитата ]
Процесс электрон-позитронной аннигиляции — это физическое явление, на котором основаны позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и позитронно-аннигиляционная спектроскопия (ПАС). Он также используется как метод измерения поверхности Ферми и зонной структуры в металлах с помощью техники, называемой угловой корреляцией электронно-позитронного аннигиляционного излучения . Он также используется для ядерного перехода. Позитронно-аннигиляционная спектроскопия также используется для изучения кристаллографических дефектов в металлах и полупроводниках; она считается единственным прямым зондом для дефектов типа вакансий. [4]
Обратная реакция, рождение электрона и позитрона, представляет собой форму образования пар, регулируемую двухфотонной физикой .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )