Аннигиляция пары частица-античастица (от позднелат. annihilatio - уничтожение, исчезновение) - один из видов взаимопревращения
элементарных частиц.
Термином "аннигиляция" первоначально назывался электромагнитный процесс превращения электрона и его античастицы - позитрона
при их столкновении в электромагнитное излучение (в фотоны, или гамма-кванты). Однако этот термин неудачен,
т. к. в процессах аннигиляции материя не уничтожается, а лишь превращается из одной формы в другую.
Возможность аннигиляции была предсказана П. Дираком (P. A. M. Dirac) на основе развитой им квантовомеханической
релятивистской теории электрона
(см.
Дырок теория Дирака). В 1932 в космических лучах были обнаружены первые античастицы - позитроны, в 1933 зарегистрированы
случаи
аннигиляции пар электрон-позитрон.
В процессе аннигиляции е+ и е- при суммарном спине сталкивающихся частиц J=0 испускается (вследствие закона
сохранения зарядовой четности в электромагнитном взаимодействии) четное число гамма-квантов (практически два), а при J=1 - нечетное
(практически
три; аннигиляция в один фотон запрещена законом сохранения энергии-импульса). Образование большого числа гамма-квантов подавлено из-за малости
константы
, характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов. Если относительная
скорость е+ и е- невелика, аннигиляция с большой вероятностью происходит через образование промежуточного связанного состояния (е+е-)
- позитрония.
Столкновение любой частицы с ее античастицей может приводить к их аннигиляции, причем не только за счет электромагнитного взаимодействия. Так, аннигиляция протонов
и антипротонов в пи-мезоны (преимущественно в 5-6 пи-мезонов) вызывается сильным взаимодействием. При
малой
относительной скорости и их аннигиляция может происходить через связанное промежуточное состояние антипротонного
атома (см. Адронные атомы) или, возможно, через барионий.
В отличие от аннигиляции при низких энергиях сталкивающихся частиц, когда в процессе аннигиляции пара частица-античастица превращается в более легкие частицы, при
высоких
энергиях легкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц (при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог
рождения
тяжелых частиц, равный в системе центра инерции сумме их энергий покоя).
В экспериментах на установках со встречными пучками е+е- высокой энергии () наблюдаются процессы
аннигиляции:
, | (1) |
адроны. | (2) |
В низшем порядке
теории возмущений квантовой электродинамики процесс (1) описывается аннигиляционной
диаграммой
Фейнмана с
виртуальным фотоном (см.
Виртуальные частицы) в промежуточном состоянии (рис., а). Процесс
(2) происходит также через виртуальный фотон (рис., б); по современным представлениям, в этом случае
переходит в пару быстрых
кварка
(
) и
антикварка (
) (рис., в), которые, испуская при взаимодействии с
вакуумом пары кварк-антикварк,
превращаются в
адроны. При высоких энергиях столкновения образующиеся адроны сохраняют направление движения первичных кварка и антикварка, и в
конечном
состоянии наблюдаются две адронные струи.
Сечение таких процессов уменьшается обратно пропорционально квадрату
4-импульса виртуального фотона (
Q2) (см.
Партоны,
Квантовая хромодинамика). Эксклюзивный процесс прямого перехода
в
адрон
и его
античастицу (например,
в пару
пи-мезонов ,
ка-мезонов ,
барион-
антибарион)
дополнительно подавлен формфактором адрона (уменьшающимся с ростом
Q2).
Согласно
квантовой хромодинамике, возможен также процесс аннигиляции позитрония в пару
с испусканием
глюона
(
) высокой энергии (рис., г); в этом случае в конечном состоянии должны наблюдаться трехструйные события. Отношения (
R)
сечений
процессов
электрон-позитронной аннигиляции. (2) и (1) равно сумме квадратов
электрических зарядов всех образующихся при аннигиляции кварков. Когда энергия
пары
е
+е
- становится выше
порога рождения частиц нового сорта - тяжелых
лептонов (
)
или частиц, в состав которых
входят тяжелые
кварки , значение
R возрастает на величину, соответствующую вкладу новых
фундаментальных
частиц. В экспериментах
по электрон-позитронной аннигиляции наблюдается резонансное образование кваркониев - тяжелых истинно нейтральных мезонов
и др., интерпретируемых как связанные состояния соответственно
,
. Такие
мезоны
должны
распадаться за счет аннигиляции кварка и антикварка в два или три глюона (в зависимости от их полного
углового момента). В процессах электрон-позитронной
аннигиляции в адроны образуются преимущественно мезоны. Однако с ростом энергии сталкивающихся частиц наблюдается значительное повышение выхода пар барион-антибарион
в
инклюзивных процессах барион-антибарион + адроны.
В столкновениях антинуклонов с нуклонами с относительной вероятностью 10-4 могут происходить процессы электромагнитной
аннигиляции антикварков антинуклона с кварками нуклона. В результате такой аннигиляции образуется виртуальный фотон . распадающийся
на пару лептонов или . Процесс рождения лептонных пар в столкновениях адронов описывается в рамках кварк-партонной
модели, причем расчет электромагнитной аннигиляции кварков и антикварков позволяет в рамках этой модели получить согласующееся с наблюдениями описание характеристик
лептонных
пар с большой энергией (в системе центра инерции), рождающихся в столкновениях адронов.
С ростом энергии сталкивающихся частиц сечение аннигиляции за счет сильного и электромагнитного взаимодействий падает, а за счет слабого взаимодействия
- растет. Поэтому при высоких энергиях в столкновениях адронов могут наблюдаться и процессы слабой аннигиляции кварков и антикварков в виртуальный или реальный
или -бозон слабого взаимодействия. Интерференция сильного и слабого взаимодействий адронов определяет эффекты
слабого
взаимодействия в столкновениях адронов при высоких энергиях (несохранение четности, одиночное рождение странных
и очарованных частиц в столкновениях "обычных" адронов и др.).
Аннигиляция электронов и позитронов может происходить и через виртуальный -бозон. Интерференция слабого и электромагнитного взаимодействий вызывает
нарушение
пространственной четности в этих процессах (проявляющееся, например, в асимметрии углового распределения пар или адронных
струй).
При энергии в системе центра инерции пары , равной массе (в энергетических единицах) -бозона, аннигиляция пары должна происходить
резонансно
- с превращением в реальный -бозон. Двухчастичные лептонные распады псевдоскалярных заряженных мезонов (например, ) обусловлены аннигиляцией составляющих мезоны кварков-антикварков ()
за счет слабого взаимодействия, а распады нейтральных векторных мезонов ( и др.) на лептонные пары (например,
) и распады псевдоскалярных нейтронных мезонов () на два гамма-кванта - кварк-антикварковая аннигиляция
за счет электромагнитного взаимодействия. В распадах мезонов, в состав которых входит - или -кварк, процессы аннигиляции за счет слабого
взаимодействия,
например ; (где l - лептон, - соответствующие ему нейтрино),
могут увеличить вероятность распадов очарованных частиц.
По аналогии с электрон-позитронной аннигиляцией теоретически обсуждается возможный процесс аннигиляции пары лептонов - электронного антинейтрино
и электрона (
или адроны), вызываемый слабым взаимодействием.
В естественных условиях процессы аннигиляции могут происходить вблизи космических источников античастиц (активных ядер галактик, пульсаров)
и при взаимодействии космических антипротонов и позитронов с веществом. Такие процессы космической аннигиляции могут наблюдаться методами гамма-астрономии
по аннигиляционному космическому излучению. Результаты этих наблюдений указывают на отсутствие заметного количества антивещества в окружающей нас
части
Вселенной вплоть до масштаба скопления галактик и свидетельствуют в пользу барионной асимметрии Вселенной.
В соответствии с теорией горячей Вселенной на ранних стадиях эволюции Вселенной процессы аннигиляции (и обратные им процессы
рождения
пар) за счет электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, например , ,
, , обеспечивали термодинамическое равновесие
релятивистской
плазмы частиц и античастиц и электромагнитного излучения. При понижении температуры расширяющейся Вселенной ниже величины, отвечающей массе
частиц
данного сорта (используется система единиц, в которой ), должна была происходить аннигиляция соответствующих
частиц и античастиц в более легкие
частицы.
Время жизни античастиц (или частиц) относительно их аннигиляции с частицами (античастицами) обратно пропорционально концентрации
частиц (античастиц). В расширяющейся Вселенной, когда становится больше времени расширения, аннигиляция прекращается и происходит т. н. закалка
концентрации частиц и античастиц. Представление о "закалке" концентрации массивных метастабильных частиц (магнитных монополей,
экзотических частиц, появляющихся в некоторых моделях великого объединения и расширенной супергравитации) и анализ их последующего
влияния на астрофизические процессы на более поздних стадиях расширения Вселенной играет важную роль для получения астрофизических ограничений на параметры моделей,
предсказывающих
существование таких частиц.
Аннигиляционное излучение в астрофизике. Наблюдение излучения, возникающего при аннигиляции позитронов и электронов, позволяет обнаружить во
Вселенной
области (объекты), где рождаются античастицы (позитроны), и определить физические характеристики таких областей.
В астрофизических условиях позитроны рождаются, как правило, релятивистскими. Когда они попадают в сравнительно холодную среду (с температурой - энергия покоя электрона), то из-за малой вероятности аннигиляции по сравнению с вероятностями процессов, приводящих к торможению
позитронов (рассеяние на электронах и атомах, возбуждение и ионизация атомов), их большая часть успевает
замедлиться
до нерелятивистских энергий и лишь затем аннигилирует.
При двухфотонной аннигиляции нерелятивистских позитрона и электрона (наиболее распространенной в астрофизических условиях) энергии образующихся фотонов
близки к энергии покоя электрона, т. е. спектр аннигиляционного излучения (АИ) имеет вид линии (аннигиляционная линия - АЛ). Это позволяет выделять АИ
на
фоне
непрерывного спектра, возникающего при других процессах. Смещение энергии аннигиляционных фотонов от значения вызвана эффектом Доплера
из-за движения центра масс аннигилирующей пары: , где V - проекция скорости центра масс на направление
вылета
фотона. Разброс скоростей V приводит к доплеровскому уширению АЛ. При аннигиляции термализованных позитронов с энергией
со свободными электронами плазмы (как прямой, так и с предварительным образованием позитрония )
разброс
V является тепловым и ширина АЛ (на половине максимума) .
В отличие от двухфотонного, трехфотонное АИ, возникающее при аннигиляции ортопозитрония 3 (образующегося в тех же
процессах,
что и парапозитроний 2). имеет непрерывный спектр, лежащий ниже 511 кэВ. Регистрация этого спектра (вместе с АЛ) позволяет
оценить долю позитронов, аннигилирующих с образованием позитрония , и тем самым физической характеристики области аннигиляции.
Спектр однофотонного АИ, существенного при наличии сверхсильного магнитного поля (когда электрон и позитрон находятся на основном уровне
Ландау, см. Циклотронная частота), имеет вид асимметричной линии с резким обрывом в сторону меньших энергий от максимума при ,
где - угол между направлением АИ и магнитным полем. Угловое распределение излучения сильно вытянуто в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Сильное
магнитное поле меняет также характеристики двухфотонного АИ. С увеличением поля (при Гс) мощность
и высота АЛ уменьшаются, линия становится асимметричной, сдвигается в сторону более высоких энергий и уширяется (превращаясь при Гс в непрерывный
спектр,
лежащий ниже ), а направления вылета фотонов концентрируются к плоскости, перпендикулярной магнитному полю.
АИ обнаружено в спектрах вспышек на Солнце, в излучении галактического центра и космических гамма-всплесках.
АИ солнечных вспышек наблюдалось на спутниках OSO-7 (США, 1972) и SMM (США, 1980, 1982). Аннигилирующие позитроны образуются, по-видимому, при
распаде
радиоактивных ядер и пи-мезонов, возникающих при ядерных взаимодействиях ускоренных во вспышке ионов с солнечным веществом.
Ширина
АЛ (<20 кэВ) соответствует температуре в области аннигиляции , а зависимость АЛ от времени показывает, что плотность вещества в области аннигиляции
<1014 см-3.
АИ из области центра Галактики наблюдалось начиная с 1968 (аппаратурой, поднятой на баллонах на высоту ~40 км), затем на спутнике НЕАО-3 (США,
с
1979).
Интенсивность АЛ практически не менялась до начала 1980, после чего менее чем за год упала ниже порога чувствительности детекторов. Малая ширина
АЛ
(2,5
кэВ в последних наблюдениях) означает, что АИ образуется термализованными позитронами в среде с . Переменность АИ накладывает ограничения
на размер области аннигиляции см) и концентрацию частиц N в ней ( см-3). В отдельных
измерениях наряду с АЛ наблюдался, по-видимому, непрерывный спектр трехфотонной аннигиляции 3. Источник позитронов неизвестен. Предположительно
позитроны
генерируются в окрестности массивной аккрецирующей черной дыры, возможно имеющейся в центре Галактики.
Эмиссионные линии с максимумами при кэВ были обнаружены в спектрах нескольких гамма-всплесков на АМС
"Венера-11" - "Венера-14" (1978-83). Они интерпретируются как АЛ двухфотонного АИ, сдвинутые на 50-150 кэВ из-за гравитационного красного смещения
в
поле силы тяжести нейтронной звезды - источника гамма-всплеска. Сравнительная узость линий
накладывает
ограничения на температуры ( кэВ) и магнитного поля ( Гс) в области аннигиляции. Механизм образования позитронов неясен.
Основные характеристики наблюдавшегося космического аннигиляционного излучения |
Источник |
Солнечные вспышки |
Центр Галактики |
Гамма-всплески |
Максимальная интенсивность, фотон/(см2 с) |
|
|
1 |
Светимость источника в аннигиляционной линии, эрг/с |
|
|
1038 (D*/1 кпк)2 |
Характерные времена, с |
102-103 |
107-108 |
0.1-10 |
Ширина аннигиляционной линии, кэВ |
<20 |
<3 |
~100 |