| Антивещество |
|---|
 |
В физике элементарных частиц , аннигиляции это процесс , который происходит , когда субатомная частица сталкивается с соответствующей античастицей , чтобы произвести другие частицы, такие как электрон при столкновении с позитроном с образованием двух фотонов . [1] Полная энергия и импульс исходной пары сохраняются в процессе и распределяются среди множества других частиц в конечном состоянии. Античастицы имеют прямо противоположные аддитивные квантовые числаот 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, если соблюдаются закон сохранения энергии и импульса . [2]
Во время низкоэнергетической аннигиляции рождение фотонов благоприятствует, поскольку эти частицы не имеют массы. Однако коллайдеры частиц высоких энергий производят аннигиляцию, при которой рождается большое количество экзотических тяжелых частиц.
Слово «аннигиляция» неформально используется для обозначения взаимодействия двух частиц, которые не являются взаимными античастицами - не заряженными сопряженными . Некоторые квантовые числа могут тогда не сводиться к нулю в начальном состоянии, но сохраняться с такими же суммами в конечном состоянии. Примером может служить «аннигиляция» высокоэнергетического электронного антинейтрино с электроном с образованиемW-.
Если аннигилирующие частицы составные , такие как мезоны или барионы , то в конечном состоянии обычно образуются несколько разных частиц.
Рождение одиночного бозона [ править ]
Если первые две частицы являются элементарными (не составными), то они могут объединиться, чтобы произвести только один элементарный бозон , такой как фотон (
γ
), глюон (
грамм
), Z, или бозон Хиггса (
ЧАС0
). Если полная энергия в системе отсчета центра импульсов равна массе покоя реального бозона (что невозможно для безмассового бозона, такого как
γ
), то 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 виртуального бозона , который немедленно преобразуется в реальную пару частица + античастица. Это называется s-канальным процессом. Примером может служить аннигиляция электрона с позитроном с образованием виртуального фотона, который превращается в мюон и антимюон. Если энергия достаточно велика,Z мог заменить фотон.
Примеры [ править ]
Электрон-позитронная аннигиляция [ править ]
- е- + е+ → γ + γ
Когда низкоэнергетический электрон аннигилирует низкоэнергетический позитрон (антиэлектрон), наиболее вероятным является создание двух или более фотонов , поскольку единственными другими частицами Стандартной модели в конечном состоянии, которые электроны и позитроны несут достаточно массы-энергии, чтобы произвести, являются нейтрино , вероятность образования которых примерно в 10 000 раз ниже, и создание только одного фотона запрещено по закону сохранения импульса - отдельный фотон будет нести ненулевой импульс в любой системе отсчета , включая систему центра импульса, в которой полный импульс равен нулю. И аннигилирующий электрон, и позитронные частицы обладают энергией покоя.около 0,511 миллиона электрон-вольт (МэВ). Если их кинетические энергии относительно незначительны, эта полная энергия покоя проявляется как энергия фотонов произведенных фотонов. Тогда каждый из фотонов имеет энергию около 0,511 МэВ. И импульс, и энергия сохраняются, при этом энергия фотона 1,022 МэВ (с учетом энергии покоя частиц) движется в противоположных направлениях (с учетом полного нулевого импульса системы). [3]
Если одна или обе заряженные частицы несут большее количество кинетической энергии, могут образовываться различные другие частицы. Кроме того, аннигиляция (или распад) электрон-позитронной пары в одиночный фотон может происходить в присутствии третьей заряженной частицы, которой избыточный импульс может быть передан виртуальным фотоном от электрона или позитрона. Обратный процесс, образование пар одним реальным фотоном, также возможен в электромагнитном поле третьей частицы.
Протон-антипротонная аннигиляция [ править ]
Когда протон встречает свою античастицу (и, в более общем смысле, если какой-либо вид бариона встречает соответствующий антибарион ), реакция не так проста, как аннигиляция электрон-позитрон. В отличие от электрона, протон представляет собой составную частицу, состоящую из трех «валентных кварков» и неопределенного числа «морских кварков», связанных глюонами . Таким образом, когда протон встречает антипротон, один из его кварков, обычно составляющий 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 претерпит сложный процесс перегруппировки (называемый адронизацией или фрагментацией ) в ряд мезонов (в основном пионы и каоны ), которые будут разделять полную энергию и импульс. Вновь созданные мезоны нестабильны, и, если они не столкнутся и не взаимодействуют с каким-либо другим материалом, они будут распадаться в серии реакций, которые в конечном итоге производят только фотоны , электроны , позитроны и нейтрино . Такой тип реакции будет происходить между любыми барионами.(частица, состоящая из трех кварков) и любой антибарион, состоящий из трех антикварков, один из которых соответствует кварку в барионе. (Эта реакция маловероятна, если хотя бы один из барионов и антибарионов достаточно экзотичен, чтобы не иметь общих кварковых ароматов.) Антипротоны могут и действительно аннигилируют с нейтронами , а также антинейтроны могут аннигилировать с протонами, как обсуждается ниже.
Наблюдались реакции, в которых при аннигиляции протона и антипротона образуется до 9 мезонов, а образование 13 мезонов теоретически возможно. Сгенерированные мезоны покидают место аннигиляции при умеренных долях скорости света и распадаются с любым временем жизни, подходящим для их типа мезона. [4]
Подобные реакции будут происходить, когда антинуклон аннигилирует в более сложном атомном ядре , за исключением того, что полученные мезоны, будучи сильно взаимодействующими , имеют значительную вероятность того, что они будут поглощены одним из оставшихся нуклонов-«наблюдателей», а не уйдут. 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 числа вторичных реакций деления в докритической массе и потенциально могут быть полезны для движения космических аппаратов . [ необходима цитата ]
Производство Хиггса [ править ]
При столкновении двух нуклонов при очень высоких энергиях морские кварки и глюоны имеют тенденцию доминировать в скорости взаимодействия, поэтому ни один нуклон не должен быть античастицей для аннигиляции кварковой пары или «слияния» двух глюонов. Примеры таких процессов способствуют рождению долгожданного бозона Хиггса . Хиггс очень слабо непосредственно образуется аннигиляцией легких (валентных) кварков, но тяжелыхт или же бморские или произведенные кварки доступны. В 2012 году лаборатория ЦЕРН в Женеве объявила об открытии Хиггса в обломках протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере (LHC). Самый сильный выход Хиггса получается от слияния двух глюонов (посредством аннигиляции 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.
См. Также [ править ]
 | Посмотрите аннигиляцию в Викисловаре, бесплатном словаре. |
- Производство пар
- Операторы создания и уничтожения
- Энергия фотона
Ссылки [ править ]
Обозначения [ править ]
- Краг, Х. (1999). Квантовые поколения: история физики в двадцатом веке . Издательство Принстонского университета . ISBN 0-691-01206-7.
Сноски [ править ]
- ^ «Антивещество» . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли . Архивировано 23 августа 2008 года . Проверено 3 сентября 2008 года .
- ^ "Стандартная модель - Распад и аннигиляция частиц" . Приключение частиц: основы материи и силы . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли . Проверено 17 октября 2011 года .
- ^ Cossairt, D. (29 июня 2001). «Излучение от аннигиляции частиц» . Фермилаб . Проверено 17 октября 2011 года .
- ^ Klempt, E .; Batty, C .; Ричард, Дж .-М. (2005). «Антинуклон-нуклонное взаимодействие при низкой энергии: динамика аннигиляции». Отчеты по физике . 413 (4–5): 197–317. arXiv : hep-ex / 0501020 . Bibcode : 2005PhR ... 413..197K . DOI : 10.1016 / j.physrep.2005.03.002 . S2CID 119362276 .
- ^ Chen, B .; и другие. (1992). «Выходы нейтронов и угловые распределения, возникающие при аннигиляции антипротонов в состоянии покоя в уране» . Physical Review C . 45 (5): 2332–2337. Bibcode : 1992PhRvC..45.2332C . DOI : 10.1103 / PhysRevC.45.2332 . PMID 9967995 .
