Аннигиляция — физическое явление¶

Аннигиляция — это взаимодействие вещества и антивещества, при котором частица и её античастица исчезают, а их масса полностью преобразуется в энергию излучения, как правило, в форме фотонов или других частиц. Термин происходит от латинского annihilatio — «уничтожение» и был предложен в 1930-х годах. Явление является прямым следствием закона сохранения энергии-импульса и подтверждает соотношение Эйнштейна E = mc².

¶Физическая основа

При аннигиляции электрона и позитрона (антиэлектрона) рождаются, как правило, два гамма-фотона с энергией 511 кэВ каждый — по массе покоя электрона (0,511 МэВ). Общая энергия аннигилирующей пары равна 1,022 МэВ. Аннигиляция протона и антипротона сложнее: в ней участвуют кварки, поэтому рождаются не только фотоны, но и пионы, каоны и другие адроны, которые затем распадаются.

Вероятность аннигиляции растёт с уменьшением относительной скорости частиц. При высоких энергиях аннигиляция может порождать новые частицы, включая тяжёлые бозоны и кварки.

¶Антивещество

Антивещество — это вещество, составленное из античастиц. Каждой частице стандартной модели соответствует античастица с противоположным зарядом, спином и другими квантовыми числами, но с одинаковой массой. Антипротон был открыт в 1955 году Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом в Беркли, за что они получили Нобелевскую премию по физике 1959 года.

Современные лаборатории, такие как ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям, Швейцария), синтезируют и изучают антивещество. В 2010 году в ЦЕРН впервые удержали атомы антиводорода в ловушке на 16 минут, а в 2011 году — более 1000 секунд. В 2023 году эксперимент ALPHA в ЦЕРН провёл спектроскопию антиводорода.

¶Космические лучи и позитроны

Аннигиляция происходит постоянно в космосе. Позитроны, рождённые взаимодействием космических лучей с веществом, аннигилируют с электронами, порождая характерное излучение с энергией 511 кэВ. Этот сигнал был обнаружен в 1970-х годах и используется в астрофизике для изучения компактных объектов — нейтронных звёзд, чёрных дыр и остатков сверхновых.

¶Применение

¶Позитронно-эмиссионная томография

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — медицинский метод визуализации, основанный на аннигиляции позитронов. Пациенту вводят радиофармпрепарат, распад которого сопровождается испусканием позитронов. Позитрон, пройдя миллиметры, аннигилирует с электроном, порождая два гамма-фотона, которые регистрируются кольцевой системой детекторов. Метод широко применяется в онкологии, кардиологии и неврологии.

¶Ядерное оружие и термоядерный синтез

В термоядерном синтезе — процессе, лежащем в основе работы звёзд — лёгкие ядра сливаются с выделением энергии, а не аннигилируют. Однако в сверхновых звёздах и при взрывах нейтронных звёзд аннигиляция нейтрино и антинейтрино вносит вклад в энергетику взрыва.

¶Возможные энергетические применения

Гипотетически антивещество рассматривается как сверхплотный источник энергии: при полной аннигиляции 1 кг вещества и 1 кг антивещества выделяется около 1,8 × 10¹⁷ джоулей, что сопоставимо с мощностью нескольких мегатонн тротила. Однако стоимость производства антивещества в лабораторных условиях на много порядков превышает любую практическую ценность, а надёжное хранение остаётся нерешённой задачей.

¶История

Предсказание аннигиляции было сделано Полем Дираком в 1928 году в рамках его уравнения для электрона. В 1932 году Карл Андерсон обнаружил позитрон в космических лучах, подтвердив существование античастиц. В 1930-х годах Грегори Брейт и Джон Уилер предложили термин «аннигиляция» и рассмотрели процессы аннигиляции в квантовой электродинамике. В 1950-х годах с открытием антипротона и антинейтрона явление получило экспериментальное подтверждение в столкновениях ускоренных частиц.

¶Литература

• Берестецкий В. Б., Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Квантовая электродинамика. — М.: Наука, 1989.
• Перри М. Дж. Введение в суперсимметрию и суперструны. — М.: Мир, 1985.
• Сегре Э., Чемберлен О. Открытие антипротона // Успехи физических наук. — 1956.