Электрон-позитронная аннигиляция

Естественная аннигиляция электронов и позитронов в результате бета-распада

Электрон-позитронная аннигиляция происходит, когда электрон (
е^-
) и позитрон (
е⁺
, античастица электрона ) сталкиваются. При низких энергиях результатом столкновения является аннигиляция электрона и позитрона и создание энергичных фотонов :

е^-
 + 
е⁺
 → 
γ
 + 
γ

При высоких энергиях могут быть созданы другие частицы, такие как B-мезоны или W- и Z-бозоны . Все процессы должны удовлетворять ряду законов сохранения , в том числе:

• Сохранение электрического заряда . Чистая плата до и после равна нулю.
• Сохранение количества движения и полной энергии . Это запрещает создание одиночного фотона. Однако в квантовой теории поля этот процесс разрешен; см. примеры аннигиляции .
• Сохранение момента количества движения .
• Сохранение общего (то есть чистого) лептонного числа , которое представляет собой количество лептонов (таких как электрон) за вычетом количества антилептонов (таких как позитрон); это можно описать как закон сохранения (чистой) материи .

Как и в случае с любыми двумя заряженными объектами, электроны и позитроны могут взаимодействовать друг с другом, не аннигилируя, как правило, посредством упругого рассеяния .

Корпус с низким энергопотреблением [ править ]

Есть только очень ограниченный набор возможностей для конечного состояния. Наиболее вероятно создание двух или более фотонов. Сохранение энергии и количества движения запрещает создание только одного фотона. (Исключение из этого правила может иметь место для сильно связанных атомных электронов. ^[1] ) В наиболее распространенном случае создаются два фотона, каждый с энергией, равной энергии покоя электрона или позитрона (0,511  МэВ ). ^[2] Удобная система отсчета - это система, в которой система не имеет чистого линейного импульса до аннигиляции; таким образом, после столкновения фотоны испускаются в противоположных направлениях. Также обычно создается три, поскольку в некоторых состояниях углового момента это необходимо для сохранения зарядовой четности . ^[3] Также возможно создать любое большее количество фотонов, но вероятность становится ниже с каждым дополнительным фотоном, потому что эти более сложные процессы имеют более низкие амплитуды вероятности .

Поскольку нейтрино также имеют меньшую массу, чем электроны, также возможно ^{[ необходима цитата ]} - но крайне маловероятно - чтобы аннигиляция произвела одну или несколько пар нейтрино- антинейтрино . Вероятность такого процесса примерно в 10000 раз меньше, чем аннигиляция в фотоны. То же самое будет верно для любых других частиц, которые являются такими же легкими, если они разделяют по крайней мере одно фундаментальное взаимодействие с электронами, и никакие законы сохранения не запрещают это. Однако о других таких частицах не известно.

Ящик с высокой энергией [ править ]

Если электрон или позитрон, или оба они имеют заметную кинетическую энергию , могут образовываться и другие более тяжелые частицы (например, 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 выходить с более высокой кинетической энергией.

При энергиях, близких и превышающих массу носителей слабого взаимодействия , W- и Z-бозонов , сила слабого взаимодействия становится сравнимой с электромагнитной силой. ^[3] В результате становится намного легче производить частицы, такие как нейтрино, которые слабо взаимодействуют с другим веществом.

Самыми тяжелыми парами частиц, которые когда-либо образуются в результате аннигиляции электронов и позитронов в ускорителях частиц, являются:W+-W-пар (масса 80,385 ГэВ / c ² × 2). Самая тяжелая однозарядная частица - это Z-бозон (масса 91,188 ГэВ / c ² ). Движущей силой создания Международного линейного коллайдера является создание таким образом бозонов Хиггса (масса 125,09 ГэВ / c ² ). ^{[ необходима цитата ]}

Практическое использование [ править ]

Процесс электрон-позитронной аннигиляции - это физическое явление, лежащее в основе позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и спектроскопии аннигиляции позитронов (PAS). Он также используется в качестве метода измерения поверхности Ферми и зонной структуры в металлах с помощью метода, называемого угловой корреляцией аннигиляционного излучения электронов и позитронов . Он также используется для ядерного перехода. Спектроскопия аннигиляции позитронов также используется для исследования кристаллографических дефектов в металлах и полупроводниках; он считается единственным прямым зондом для дефектов вакансионного типа. ^[4]

Обратная реакция [ править ]

Обратная реакция, электрон-позитронное рождение, является формой образования пар, регулируемой двухфотонной физикой .

См. Также [ править ]

• Бхабха рассеяние
• Список частиц
• Эффект Мейтнера – Хупфельда
• Производство пар
• Позитроний

Ссылки [ править ]