Аннигиляция

У этого термина существуют и другие значения, см. (Аннигиляция (значения)).

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) π⁰ состоит из квантовомеханической комбинации кварк-антикварковых пар uu и dd; 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 ⁺ (us) → 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 du 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_μν_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) 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 (согласно теории относительности, E = 2E₀ = 2mc², где E₀ — 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: O₂/H₂ — 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 = 2mc² можно подсчитать, что при вступлении во взаимодействие 1 кг антиматерии и 1 кг материи выделится приблизительно 1,8⋅10¹⁷джоуль 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

1. 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. То есть 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. — .
4. Shkerin A. Muonium annihilation into ν_eν_μ and ν_eν_μγ (англ.) // Phys. Rev. D. — 2013. — Vol. 88. — P. 013012. — doi:10.1103/PhysRevD.88.013012. — arXiv:1306.0102.
5. Практическое использование антиматерии  (рус.). Дата обращения: 29 октября 2015. 31 декабря 2015 года.

Ссылки

• Аннигиляция