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

Характеристика

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 π ⁰ состоит из квантовомеханической комбинации кварк-антикварковых пар u u и d d ; его распад в два фотона происходит вследствие аннигиляции такой пары .

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 заряженных мезонов (такие как K ⁺ → μ ⁺ ν _μ ), 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 ⁺ ( u s ) → W ⁺ _(вирт.) → μ ⁺ ν _μ ). При высоких энергиях наблюдаются также процессы слабой аннигиляции фермион -антифермионной (то есть 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 .

Примером сильной аннигиляции являются некоторые распады кваркониев , более тяжёлых, чем нейтральный пион ( J /ψ -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 . Затем глюоны превращаются в кварк-антикварковые пары .

Аннигилирующие частица и античастица не обязаны быть одного типа; так, доминирующий распад заряженного пи-мезона π ⁺ → μ ⁺ ν _μ обусловлен слабой аннигиляцией разнотипной пары кварков d u в виртуальный W ⁺ -бозон, который затем распадается в пару лептонов . 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 ⁺ + e ⁻ → ν _μ ν _e составляет лишь 6,6×10 ⁻¹² от вероятности обычного распада мюона .

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.

Выделение энергии

Аннигиляция является методом перевода энергии покоя E ₀ 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 (согласно теории относительности, E = 2 E ₀ = 2 mc ², где E ₀ — энергия покоя, m — масса частицы, c — скорость света в вакууме).

Сравнение выделения энергий

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

Химическая энергия : O ₂ /H ₂ — 1.

Энергия деления ядер урана-235 : в 5 850 000 раз больше химической.

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

Энергия, выделяемая при аннигиляции E = mc², теоретически предельная для любых экзотермических процессов : в 264 раза больше энергии, выделяемой при термоядерном синтезе .

По формуле E = 2 mc ² можно подсчитать, что при вступлении во взаимодействие 1 кг антиматерии и 1 кг материи выделится приблизительно 1,8⋅10 ¹⁷ 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 . Приблизительно 50 % энергии, высвобождающейся при аннигиляции адронов (реакции пары нуклон-антинуклон), выделяется в форме нейтрино , а последние при малых энергиях практически не взаимодействуют с веществом.

Применение

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

Примечания

Ссылки