Астронет > Аннигиляция

Астронет: "Физическая Энциклопедия"/Phys.Web.Ru Аннигиляция
http://variable-stars.ru/db/msg/1172469

Аннигиляция
28.08.2001 0:00 | "Физическая Энциклопедия"/Phys.Web.Ru

Аннигиляция пары частица-античастица (от позднелат. annihilatio - уничтожение, исчезновение) - один из видов взаимопревращения элементарных частиц. Термином "аннигиляция" первоначально назывался электромагнитный процесс превращения электрона и его античастицы - позитрона при их столкновении в электромагнитное излучение (в фотоны, или гамма-кванты). Однако этот термин неудачен, т. к. в процессах аннигиляции материя не уничтожается, а лишь превращается из одной формы в другую.

Возможность аннигиляции была предсказана П. Дираком (P. A. M. Dirac) на основе развитой им квантовомеханической релятивистской теории электрона (см. Дырок теория Дирака). В 1932 в космических лучах были обнаружены первые античастицы - позитроны, в 1933 зарегистрированы случаи аннигиляции пар электрон-позитрон.

В процессе аннигиляции е⁺ и е^- при суммарном спине сталкивающихся частиц J=0 испускается (вследствие закона сохранения зарядовой четности в электромагнитном взаимодействии) четное число гамма-квантов (практически два), а при J=1 - нечетное (практически три; аннигиляция в один фотон запрещена законом сохранения энергии-импульса). Образование большого числа гамма-квантов подавлено из-за малости константы $\alpha={\displaystyle 1\over\displaystyle 137}$ , характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов. Если относительная скорость е⁺ и е^- невелика, аннигиляция с большой вероятностью происходит через образование промежуточного связанного состояния (е⁺е^-) - позитрония.

Столкновение любой частицы с ее античастицей может приводить к их аннигиляции, причем не только за счет электромагнитного взаимодействия. Так, аннигиляция протонов и антипротонов в пи-мезоны (преимущественно в 5-6 пи-мезонов) вызывается сильным взаимодействием. При малой относительной скорости $р$ и $\tilde р$ их аннигиляция может происходить через связанное промежуточное состояние антипротонного атома (см. Адронные атомы) или, возможно, через барионий.

В отличие от аннигиляции при низких энергиях сталкивающихся частиц, когда в процессе аннигиляции пара частица-античастица превращается в более легкие частицы, при высоких энергиях легкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц (при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц, равный в системе центра инерции сумме их энергий покоя).

В экспериментах на установках со встречными пучками е⁺е^- высокой энергии ( $\geq 1 ГэВ$ ) наблюдаются процессы аннигиляции:
$e^+e^-\longrightarrow\mu^+\mu^-$ , (1)

$e^+e^-\longrightarrow$ адроны. (2)

В низшем порядке теории возмущений квантовой электродинамики процесс (1) описывается аннигиляционной диаграммой Фейнмана с виртуальным фотоном $\gamma^*$ (см. Виртуальные частицы) в промежуточном состоянии (рис., а). Процесс (2) происходит также через виртуальный фотон (рис., б); по современным представлениям, в этом случае $\gamma^*$ переходит в пару быстрых кварка ( $q$ ) и антикварка ( $\tilde q$ ) (рис., в), которые, испуская при взаимодействии с вакуумом пары кварк-антикварк, превращаются в адроны. При высоких энергиях столкновения образующиеся адроны сохраняют направление движения первичных кварка и антикварка, и в конечном состоянии наблюдаются две адронные струи. Сечение таких процессов уменьшается обратно пропорционально квадрату 4-импульса виртуального фотона (Q²) (см. Партоны, Квантовая хромодинамика). Эксклюзивный процесс прямого перехода $\gamma^*$ в адрон и его античастицу (например, в пару пи-мезонов $\pi^+\pi^-$ , ка-мезонов $K^+K^-$ , барион-антибарион) дополнительно подавлен формфактором адрона (уменьшающимся с ростом Q²). Согласно квантовой хромодинамике, возможен также процесс аннигиляции позитрония в пару $q\tilde{q}$ с испусканием глюона ( $g$ ) высокой энергии (рис., г); в этом случае в конечном состоянии должны наблюдаться трехструйные события. Отношения (R) сечений процессов электрон-позитронной аннигиляции. (2) и (1) равно сумме квадратов электрических зарядов всех образующихся при аннигиляции кварков. Когда энергия пары е⁺е^- становится выше порога рождения частиц нового сорта - тяжелых лептонов ( $\tau^\pm$ ) или частиц, в состав которых входят тяжелые кварки $c,b$ , значение R возрастает на величину, соответствующую вкладу новых фундаментальных частиц. В экспериментах по электрон-позитронной аннигиляции наблюдается резонансное образование кваркониев - тяжелых истинно нейтральных мезонов $J/ \psi, \Upsilon$ и др., интерпретируемых как связанные состояния соответственно $c\tilde{c}$ , $b\tilde{b}$ . Такие мезоны должны распадаться за счет аннигиляции кварка и антикварка в два или три глюона (в зависимости от их полного углового момента). В процессах электрон-позитронной аннигиляции в адроны образуются преимущественно мезоны. Однако с ростом энергии сталкивающихся частиц наблюдается значительное повышение выхода пар барион-антибарион в инклюзивных процессах $e^+e^-\longrightarrow$ барион-антибарион + адроны.

В столкновениях антинуклонов с нуклонами с относительной вероятностью 10^-4 могут происходить процессы электромагнитной аннигиляции антикварков антинуклона с кварками нуклона. В результате такой аннигиляции $q\tilde{q}$ образуется виртуальный фотон $\gamma^*$ . распадающийся на пару лептонов $e^+e^-$ или $\mu^+\mu^-$ . Процесс рождения лептонных пар в столкновениях адронов описывается в рамках кварк-партонной модели, причем расчет электромагнитной аннигиляции кварков и антикварков позволяет в рамках этой модели получить согласующееся с наблюдениями описание характеристик лептонных пар с большой энергией (в системе центра инерции), рождающихся в столкновениях адронов.

С ростом энергии сталкивающихся частиц сечение аннигиляции за счет сильного и электромагнитного взаимодействий падает, а за счет слабого взаимодействия - растет. Поэтому при высоких энергиях в столкновениях адронов могут наблюдаться и процессы слабой аннигиляции кварков и антикварков в виртуальный или реальный $W^\pm$ или $Z^0$ -бозон слабого взаимодействия. Интерференция сильного и слабого взаимодействий адронов определяет эффекты слабого взаимодействия в столкновениях адронов при высоких энергиях (несохранение четности, одиночное рождение странных и очарованных частиц в столкновениях "обычных" адронов и др.).

Аннигиляция электронов и позитронов может происходить и через виртуальный $Z^0$ -бозон. Интерференция слабого и электромагнитного взаимодействий вызывает нарушение пространственной четности в этих процессах (проявляющееся, например, в асимметрии углового распределения пар $\mu^+\mu^-$ или адронных струй). При энергии в системе центра инерции пары $e^+e^-$ , равной массе (в энергетических единицах) $Z^0$ -бозона, аннигиляция пары должна происходить резонансно - с превращением в реальный $Z^0$ -бозон. Двухчастичные лептонные распады псевдоскалярных заряженных мезонов (например, $\pi^+\longrightarrow\mu^+\nu_\mu, K^+\longrightarrow\mu^+\nu_\mu$ ) обусловлены аннигиляцией составляющих мезоны кварков-антикварков ( $u\tilde{d}\longrightarrow\mu^+\nu_\mu, u\tilde{s}\longrightarrow\mu^+\nu_\mu$ ) за счет слабого взаимодействия, а распады нейтральных векторных мезонов ( $\rho^0,\omega,\varphi$ и др.) на лептонные пары (например, $\rho^0\longrightarrow e^+e^-,\mu^+\mu^-$ ) и распады псевдоскалярных нейтронных мезонов ( $\pi^0,\eta$ ) на два гамма-кванта - кварк-антикварковая аннигиляция за счет электромагнитного взаимодействия. В распадах мезонов, в состав которых входит $c$ - или $b$ -кварк, процессы аннигиляции за счет слабого взаимодействия, например $c\tilde{s}\longrightarrow d\tilde{u},c\tilde{s}\longrightarrow l\nu_l$ ; (где l - лептон, $v_l$ - соответствующие ему нейтрино), могут увеличить вероятность распадов очарованных частиц.

По аналогии с электрон-позитронной аннигиляцией теоретически обсуждается возможный процесс аннигиляции пары лептонов - электронного антинейтрино и электрона ( $\tilde\nu_e+e^-\longrightarrow\tilde\nu_\mu+\mu^-$ или $\tilde\nu_e+e^-\longrightarrow$ адроны), вызываемый слабым взаимодействием.

В естественных условиях процессы аннигиляции могут происходить вблизи космических источников античастиц (активных ядер галактик, пульсаров) и при взаимодействии космических антипротонов и позитронов с веществом. Такие процессы космической аннигиляции могут наблюдаться методами гамма-астрономии по аннигиляционному космическому излучению. Результаты этих наблюдений указывают на отсутствие заметного количества антивещества в окружающей нас части Вселенной вплоть до масштаба скопления галактик и свидетельствуют в пользу барионной асимметрии Вселенной. В соответствии с теорией горячей Вселенной на ранних стадиях эволюции Вселенной процессы аннигиляции (и обратные им процессы рождения пар) за счет электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, например $e^+e^-\longleftrightarrow2\gamma$ , $q\tilde{q}\longleftrightarrow e^+e^-$ , $q\tilde{q}\longleftrightarrow 2g$ , $e^+e^-\longleftrightarrow\nu_e\tilde\nu_e$ , обеспечивали термодинамическое равновесие релятивистской плазмы частиц и античастиц и электромагнитного излучения. При понижении температуры расширяющейся Вселенной ниже величины, отвечающей массе частиц данного сорта (используется система единиц, в которой $\hbar=c=k=1$ ), должна была происходить аннигиляция соответствующих частиц и античастиц в более легкие частицы. Время жизни $\tau_A$ античастиц (или частиц) относительно их аннигиляции с частицами (античастицами) обратно пропорционально концентрации частиц (античастиц). В расширяющейся Вселенной, когда $\tau_A$ становится больше времени расширения, аннигиляция прекращается и происходит т. н. закалка концентрации частиц и античастиц. Представление о "закалке" концентрации массивных метастабильных частиц (магнитных монополей, экзотических частиц, появляющихся в некоторых моделях великого объединения и расширенной супергравитации) и анализ их последующего влияния на астрофизические процессы на более поздних стадиях расширения Вселенной играет важную роль для получения астрофизических ограничений на параметры моделей, предсказывающих существование таких частиц.

Аннигиляционное излучение в астрофизике. Наблюдение излучения, возникающего при аннигиляции позитронов и электронов, позволяет обнаружить во Вселенной области (объекты), где рождаются античастицы (позитроны), и определить физические характеристики таких областей.

В астрофизических условиях позитроны рождаются, как правило, релятивистскими. Когда они попадают в сравнительно холодную среду (с температурой $T\ll mc^2/k=6\cdot10^9 К, mc^2=511 кэВ$ - энергия покоя электрона), то из-за малой вероятности аннигиляции по сравнению с вероятностями процессов, приводящих к торможению позитронов (рассеяние на электронах и атомах, возбуждение и ионизация атомов), их большая часть успевает замедлиться до нерелятивистских энергий и лишь затем аннигилирует.

При двухфотонной аннигиляции нерелятивистских позитрона и электрона (наиболее распространенной в астрофизических условиях) энергии образующихся фотонов $\varepsilon$ близки к энергии покоя электрона, т. е. спектр аннигиляционного излучения (АИ) имеет вид линии (аннигиляционная линия - АЛ). Это позволяет выделять АИ на фоне непрерывного спектра, возникающего при других процессах. Смещение энергии аннигиляционных фотонов от значения $mc^2$ вызвана эффектом Доплера из-за движения центра масс аннигилирующей пары: $\varepsilon=mc^2(1+V/c)$ , где V - проекция скорости центра масс на направление вылета фотона. Разброс скоростей V приводит к доплеровскому уширению АЛ. При аннигиляции термализованных позитронов с энергией $\mathcal{E}_T\sim kT$ со свободными электронами плазмы (как прямой, так и с предварительным образованием позитрония $Ps$ ) разброс V является тепловым и ширина АЛ (на половине максимума) $\Delta\mathcal{E}=0,011 T^{1/2} кэВ$ .

В отличие от двухфотонного, трехфотонное АИ, возникающее при аннигиляции ортопозитрония ³ $Ps$ (образующегося в тех же процессах, что и парапозитроний ² $Ps$ ). имеет непрерывный спектр, лежащий ниже 511 кэВ. Регистрация этого спектра (вместе с АЛ) позволяет оценить долю позитронов, аннигилирующих с образованием позитрония $Ps$ , и тем самым физической характеристики области аннигиляции.

Спектр однофотонного АИ, существенного при наличии сверхсильного магнитного поля (когда электрон и позитрон находятся на основном уровне Ландау, см. Циклотронная частота), имеет вид асимметричной линии с резким обрывом в сторону меньших энергий от максимума при $\varepsilon\approx2mc^2/|\sin\nu|$ , где $\nu$ - угол между направлением АИ и магнитным полем. Угловое распределение излучения сильно вытянуто в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Сильное магнитное поле меняет также характеристики двухфотонного АИ. С увеличением поля (при $B\geq 10^12$ Гс) мощность и высота АЛ уменьшаются, линия становится асимметричной, сдвигается в сторону более высоких энергий и уширяется (превращаясь при $B\geq 10^13$ Гс в непрерывный спектр, лежащий ниже $2mc^2/(1+|\cos\nu|$ ), а направления вылета фотонов концентрируются к плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

АИ обнаружено в спектрах вспышек на Солнце, в излучении галактического центра и космических гамма-всплесках.

АИ солнечных вспышек наблюдалось на спутниках OSO-7 (США, 1972) и SMM (США, 1980, 1982). Аннигилирующие позитроны образуются, по-видимому, при распаде радиоактивных ядер и пи-мезонов, возникающих при ядерных взаимодействиях ускоренных во вспышке ионов с солнечным веществом. Ширина АЛ (<20 кэВ) соответствует температуре в области аннигиляции $T\lt3\cdot10^6$ , а зависимость АЛ от времени показывает, что плотность вещества в области аннигиляции <10¹⁴ см^-3.

АИ из области центра Галактики наблюдалось начиная с 1968 (аппаратурой, поднятой на баллонах на высоту ~40 км), затем на спутнике НЕАО-3 (США, с 1979). Интенсивность АЛ практически не менялась до начала 1980, после чего менее чем за год упала ниже порога чувствительности детекторов. Малая ширина АЛ ( $\lesssim$ 2,5 кэВ в последних наблюдениях) означает, что АИ образуется термализованными позитронами в среде с $T\lesssim5\cdot10^4 К$ . Переменность АИ накладывает ограничения на размер области аннигиляции $\lt10^{18}$ см) и концентрацию частиц N в ней ( $N\lt10^5$ см^-3). В отдельных измерениях наряду с АЛ наблюдался, по-видимому, непрерывный спектр трехфотонной аннигиляции ³ $Ps$ . Источник позитронов неизвестен. Предположительно позитроны генерируются в окрестности массивной аккрецирующей черной дыры, возможно имеющейся в центре Галактики.

Эмиссионные линии с максимумами при $\varepsilon\approx350-450$ кэВ были обнаружены в спектрах нескольких гамма-всплесков на АМС "Венера-11" - "Венера-14" (1978-83). Они интерпретируются как АЛ двухфотонного АИ, сдвинутые на 50-150 кэВ из-за гравитационного красного смещения в поле силы тяжести нейтронной звезды - источника гамма-всплеска. Сравнительная узость линий накладывает ограничения на температуры ( $kT\lt50$ кэВ) и магнитного поля ( $B\lt10^{13}$ Гс) в области аннигиляции. Механизм образования позитронов неясен.

Основные характеристики наблюдавшегося космического аннигиляционного излучения
Источник	Солнечные вспышки	Центр Галактики	Гамма-всплески
Максимальная интенсивность, фотон/(см² с)	$5\cdot10^{-1}$	$2\cdot10^{-3}$	1
Светимость источника в аннигиляционной линии, эрг/с	$2\cdot10^{21}$	$2\cdot10^{37}$	10³⁸ (D*/1 кпк)²
Характерные времена, с	10²-10³	10⁷-10⁸	0.1-10
Ширина аннигиляционной линии, кэВ	<20	<3	~100

Глоссарий Astronet.ru