Аннигиляция частиц и античастиц¶

Аннигиляция — это процесс превращения частицы и соответствующей ей античастицы в другие частицы или фотоны, сопровождающийся полным высвобождением их энергии покоя и кинетической энергии. Термин происходит от позднелатинского annihilatio — «уничтожение», однако в физике аннигиляция означает не исчезновение материи, а её переход из формы вещества в форму излучения (поля). Аннигиляция является обратным процессом рождению пары частица-античастица и подчиняется фундаментальным законам сохранения.

¶Физическая сущность

Аннигиляция возможна для любой пары частица-античастица (электрон-позитрон, протон-антипротон, кварк-антикварк). Наиболее изученным и распространённым в природе процессом является аннигиляция электрона и позитрона.

При столкновении электрона (e⁻) и позитрона (e⁺) их массы полностью преобразуются в энергию электромагнитного излучения. Поскольку электрон и позитрон являются лептонами, их аннигиляция обычно приводит к образованию двух или трёх гамма-квантов (фотонов). Минимальная энергия каждого фотона равна энергии покоя электрона — 0,511 МэВ. При малых относительных скоростях частиц аннигиляция чаще всего даёт два фотона, разлетающихся в противоположных направлениях (для выполнения закона сохранения импульса). При больших энергиях возможна аннигиляция с образованием виртуальных частиц и последующим рождением адронов.

Аннигиляция более тяжёлых частиц, например протона и антипротона, является более сложным процессом. Протон и антипротон сначала образуют связанное состояние — протоний (атомоподобную систему), который затем распадается, превращаясь преимущественно в пионы (π-мезоны) — лёгкие адроны. Энергия, выделяющаяся при аннигиляции протона и антипротона, составляет около 1876 МэВ.

¶Законы сохранения

При аннигиляции выполняются все фундаментальные законы сохранения:

• Сохранение энергии и импульса — суммарная энергия и импульс продуктов реакции равны энергии и импульсу исходной пары.
• Сохранение электрического заряда — суммарный заряд частиц и античастиц равен нулю, поэтому продукты реакции электрически нейтральны.
• Сохранение лептонного и барионного чисел — электрон имеет лептонное число +1, позитрон −1, поэтому их сумма равна нулю, что допускает рождение только фотонов.
• Сохранение момента импульса — спин системы учитывается в квантовом описании процесса.

¶Практическое применение

¶Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

Аннигиляция позитронов лежит в основе позитронно-эмиссионной томографии — метода медицинской диагностики. В организм пациента вводится радиофармпрепарат, испускающий позитроны. При аннигиляции позитрона с электроном тканей образуются два гамма-кванта, летящие строго в противоположных направлениях. Детекторы томографа регистрируют совпадения этих квантов, что позволяет с высокой точностью определить локализацию источника излучения и построить трёхмерное изображение распределения препарата в органах.

¶Антивещество в научных исследованиях

В физике высоких энергий аннигиляция используется для изучения структуры материи. На ускорителях (например, в ЦЕРНе) сталкиваются пучки частиц и античастиц, что позволяет изучать фундаментальные взаимодействия и открывать новые частицы. Аннигиляция антипротонов применяется для получения интенсивных пучков нейтронов и пионов.

¶Гипотетические двигатели

Аннигиляция рассматривается как потенциальный источник энергии для космических двигателей. Удельная энерговыделение при аннигиляции вещества и антивещества составляет около 9×10¹⁶ Дж/кг, что в миллиарды раз превышает химические реакции и в сотни раз — ядерный синтез. Однако практическое применение сдерживается отсутствием технологий производства и хранения значительных количеств антивещества.

¶Аннигиляция в природе

В естественных условиях аннигиляция происходит в атмосфере Земли: космические лучи порождают позитроны, которые аннигилируют с электронами воздуха, создавая гамма-излучение. Значительная часть гамма-фона Земли обусловлена именно этим процессом. В центре нашей Галактики наблюдается интенсивное аннигиляционное излучение с энергией 511 кэВ, источником которого является взаимодействие позитронов, рождаемых в процессах с участием тёмной материи или астрофизических объектов, с межзвёздным газом.

¶Источники

• Окунь Л. Б. «Физика элементарных частиц». — М.: Наука, 1988.
• Перкинс Д. «Введение в физику высоких энергий». — М.: Мир, 1975.
• Широков Ю. М., Юдин Н. П. «Ядерная физика». — М.: Наука, 1980.