Аннигиляция

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Аннигиля́ция (лат. annihilatio — уничтожение, полное уничтожение, отмена) — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.

Наиболее изученной является аннигиляция электрон-позитронной пары. При низких энергиях сталкивающихся электрона и позитрона, а также при аннигиляции их связанного состояния — позитрония — эта реакция аннигиляции даёт в конечном состоянии два или три фотона, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона. При энергиях порядка нескольких МэВ становится возможной и многофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары. При энергиях порядка сотен МэВ в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары рождаются в основном адроны.

Изучалась также и аннигиляция нуклон-антинуклонной пары (например, антипротона с протоном или нейтроном). В действительности, при взаимодействии антинуклонов с нуклонами (и вообще антиадронов с адронами) аннигилируют не сами адроны, а входящие в состав адронов антикварки и кварки. Более того, аннигилируют и кварк-антикварковые пары, входящие в состав одного адрона. Так, нейтральный пи-мезон π0 состоит из квантовомеханической комбинации кварк-антикварковых пар uu и dd; его распад в два фотона происходит вследствие аннигиляции такой пары[1].

Существуют не только электромагнитные процессы аннигиляции (как рассмотренные выше процессы аннигиляции электрон-позитронных и кварк-антикварковых пар в фотоны, а также распады нейтральных векторных мезонов в лептонные пары, например распад ро-мезона в электрон-позитронную пару), но также «слабая» и «сильная» аннигиляция, происходящая за счёт соответственно слабого и сильного взаимодействий. Примером слабой аннигиляции являются двухчастичные лептонные распады псевдоскалярных[2] заряженных мезонов (такие как K +μ+νμ), обусловленные аннигиляцией входящих в состав мезонов кварк-антикварковых пар в виртуальный векторный бозон W ±, который затем распадается в пару из заряженного и нейтрального лептонов (для вышеприведённого примера с положительным К-мезоном: K + (us) → W + (вирт.)μ+νμ). При высоких энергиях наблюдаются также процессы слабой аннигиляции фермион-антифермионной (т.е. кварк-антикварковой или лептон-антилептонной) пары в реальный W ±- или Z 0-бозон, причём сечение слабой аннигиляции растёт с ростом энергии, в отличие от электромагнитной и сильной[1].

Примером сильной аннигиляции являются некоторые распады кваркониев, более тяжёлых, чем нейтральный пион (J-мезон, ϒ-мезон и т. п.). Кварки в них могут аннигилировать с участием сильного взаимодействия в два или три глюона, в зависимости от суммарного спина, хотя такие процессы обычно подавлены правилом Окубо — Цвейга — Иизуки[3]. Затем глюоны превращаются в кварк-антикварковые пары[1].

Следует отметить, что аннигилирующие частица и античастица не обязаны быть одного типа; так, доминирующий распад заряженного пи-мезона π+μ+νμ обусловлен слабой аннигиляцией разнотипной пары кварков du в виртуальный W +-бозон, который затем распадается в пару лептонов[1]. Рассматривается процесс аннигиляции положительного мюона с электроном, аналогичный аннигиляции позитрона с электроном. Этот процесс экспериментально пока не наблюдался, поскольку закон сохранения лептонного числа не позволяет мюон-электронной паре (в отличие от позитрон-электронной пары) электромагнитно аннигилировать в фотоны и требует слабой аннигиляции в нейтрино. Например, в мюонии — квазиатоме, состоящем из μ+ и e, — расчётная вероятность аннигиляции в пару нейтрино μ+ + eνμνe составляет лишь 6,6×10−12 от вероятности обычного распада мюона[4].

Процессом, обратным аннигиляции, является рождение пар частица-античастица. Так, рождение электрон-позитронной пары фотоном в электромагнитном поле атомного ядра является одним из основных процессов взаимодействия гамма-кванта с веществом при энергиях более 1 МэВ.

Применение теории относительности[править | править код]

Аннигиляция является методом перевода энергии покоя E0 частиц в кинетическую энергию продуктов реакции. При столкновении одной из элементарных частиц и её античастицы (например, электрона и позитрона) происходит их взаимоуничтожение, при этом высвобождается огромное количество энергии (E = 2E0 = 2mc², где E0 — энергия покоя, m — масса частицы, c — скорость света в вакууме).

В настоящее время применение аннигиляции в энергетических или военных целях невозможно, так как на данном этапе технологического развития не удается создать и удержать на достаточно долгое время нужное количество антивещества.

По приведённой выше формуле можно подсчитать, что при вступлении во взаимодействие 1 кг антиматерии и 1 кг материи выделится приблизительно 1,8·1017 джоуль энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тринитротолуола. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, Царь-бомба, соответствовало 57 мегатоннам. Следует отметить, что порядка 50 % энергии, высвобождающейся при аннигиляции адронов (реакции пары нуклон-антинуклон), выделяется в форме нейтрино, а последние при малых энергиях практически не взаимодействуют с веществом.

Сравнение выделения энергий[править | править код]

Относительное выделение энергии при разных реакциях на равную массу вещества. Выделяющаяся энергия горения водорода в кислороде принята за 1.

Химическая энергия: (O2/H2) 1.

Энергия при деление ядер урана-235: В 5 850 000 раз больше, чем химическая.

Энергия термоядерного синтеза при слиянии протонов в ядро гелия: В 4,14 раза больше ядерной.

Аннигиляция, выделяемая энергия E = mc² и теоретически предельная в любых экзотермических процессах: В 264 раза больше энергии выделяемой при термоядерном синтезе[5].

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «аннигиляция»
Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «аннигилятор»

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 3 4 Хлопов М. Ю. Аннигиляция // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 85—86. — 707 с. — 100 000 экз.
  2. Т.е. обладающих нулевым спином и отрицательной чётностью: J π = 0.
  3. Герасимов С. Б. Цвейга правило // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 418. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.
  4. Shkerin A. Muonium annihilation into νeνμ and νeνμγ (англ.) // Phys. Rev. D. — 2013. — Vol. 88. — P. 013012. — DOI:10.1103/PhysRevD.88.013012. — arXiv:1306.0102.
  5. Практическое использование антиматерии

Ссылки[править | править код]