Кіріспе

Бөлшек пен оның антибөлшегінің соқтығысуы – бөлшектердің антибөлшектермен жойылуының физикалық процесі. Бөлшектер физикасында жойылу – субатомдық бөлшектің тиісті антибөлшегімен соқтығысып, басқа бөлшектерді тудыру процесі, мысалы, электронның позитронмен соқтығысып екі фотонның пайда болуы. Бастапқы жұптың жалпы энергиясы мен импульсі процесте сақталады және соңғы күйдегі басқа бөлшектер жиынтығына таралады. Антибөлшектердің бөлшектерден дәл қарама-қарсы кванттық сандары болады, сондықтан мұндай бастапқы жұптың барлық кванттық сандарының қосындысы нөлге тең. Осылайша, энергияның, импульстің және спиннің сақталу заңдары орындалғанда, жалпы кванттық саны нөлге тең болатын кез келген бөлшектер жиынтығы туындауы мүмкін. Төмен энергиялы жойылу кезінде фотондардың пайда болуы ықтимал, себебі бұл бөлшектердің массасы жоқ. Жоғары энергиялы бөлшектердің соқтығыстырғыштарында әртүрлі экзотикалық ауыр бөлшектерді тудыратын жойылу процестері жүзеге асырылады. "Жойылу" термині кейде өзара антибөлшектер емес, не зарядты конъюгат емес екі бөлшектің өзара әрекеттесуін белгілеу үшін де қолданылады. Мұндай жағдайда кейбір кванттық сандар бастапқы күйде нөлге тең болмауы мүмкін, бірақ соңғы күйде сол жиынтықпен сақталады. Мысалы, жоғары энергиялы электронды антинейтриноның электронмен W бозонын тудыру үшін "жойылу" әрекеті. Егер жойылатын бөлшектер мезондар немесе бариондар сияқты күрделі болса, соңғы күйде әдетте бірнеше түрлі бөлшектер пайда болады. Жойылудың кері процесі – жұптардың пайда болуы, онда жоғары энергиялы фотон өзінің энергиясын массаға айналдырады.

Бір бозонның өндірісі

Егер бастапқы екі бөлшек элементарлық (құрамды емес) болса, онда олар фотон, глюон, немесе Хиггс бозоны сияқты бір ғана элементарлық бозонды өндіру үшін бірігуі мүмкін. Егер импульс шеңберінің ортасындағы жалпы энергия нақты бозонның тынығу массасына тең болса (бұл фотон сияқты массасыз бозон үшін мүмкін емес), онда пайда болған бөлшек өмір сүру мерзіміне сәйкес ыдырайтынша өмір сүруін жалғастырады. Әйтпесе, процесс виртуалды бозонның бастапқы құрылуы ретінде түсініледі, ол дереу нақты бөлшек + антибөлшек жұпқа айналады. Бұл s-арналы процесс деп аталады. Мысал ретінде электронды позитронмен жою арқылы виртуалды фотон пайда болады, ол мюон мен антимюонға айналады. Егер энергия жеткілікті болса, фотонды алмастыра алады.

Протон-антипротонды жою

Протон өзінің антибөлшегіне кездескенде (немесе жалпы алғанда, кез келген барьон тиісті антибарьонға кездескенде), реакция электрон-позитрон жойылуы сияқты қарапайым болмайды. Электроннан өзгеше, протон – үш «валенттік кварктан» және глюондармен байланысқан «теңіз кварктарынан» тұратын күрделі бөлшек. Сондықтан, протон антипротонмен кездескенде, оның кваркі, әдетте құраушы валенттік кварк, антикваркпен (сирек жағдайда теңіз кваркі болуы мүмкін) жойылып, глюонды жасайды. Содан кейін глюон қалған кварктармен, антикварктармен және глюондармен бірге күрделі қайта құрылымдалу процесінен (адронизация немесе фрагментация деп аталады) өтеді. Жаңадан пайда болған мезондар тұрақсыз, және егер олар басқа материалмен кездесіп, өзара әрекеттеспесе, фотондар, электрондар, позитрондар және нейтринолар ғана шығаратын реакциялар тізбегінде ыдырайды. Мұндай реакция кез келген барион (үш кварктан тұратын бөлшек) мен үш антикварктан тұратын кез келген антибарион арасында жүреді, олардың біреуі бариондағы кваркқа сәйкес келеді. (Егер барион мен антибарионның кем дегенде біреуі экзотикалық болса және олардың құрамында ортақ кварк дәмдері болмаса, бұл реакцияның болуы күмәнді.) Антипротондар нейтрондармен жойылуы мүмкін және жойылады, сондай-ақ антинейтрондар протондармен жойылуы мүмкін, бұл туралы төменде талқыланады. Протон-антипротон жойылуы нәтижесінде 9 мезонға дейін пайда болатын реакциялар байқалды, ал теориялық тұрғыдан 13 мезонның пайда болуы мүмкін. Жасалған мезондар жойылу орнынан жарық жылдамдығының шамалы бөлігімен ұшып кетеді және олардың түріне сәйкес келетін өмір сүру мерзімінде ыдырайды. Антинуклеон күрделі атом ядросының ішінде жойылғанда да ұқсас реакциялар болады, бірақ нәтижесінде пайда болған мезондар күшті өзара әрекеттесетін болғандықтан, қашып кетудің орнына қалған «көрермен» нуклондарының бірімен сіңірілуінің жоғары ықтималдығы бар. Сіңірілген энергия ~2 ГэВ-қа дейін жете алатындықтан, ол тіпті ең ауыр ядролардың байланысу энергиясынан да асып түсуі мүмкін. Сондықтан, антипротон уран немесе плутоний сияқты ауыр ядроның ішінде жойылғанда, ядроның ішінара немесе толық бұзылуы мүмкін, осының салдарынан көптеген жылдам нейтрондар шығарылады. Мұндай реакциялар субкритикалық массада көптеген екінші бөлшектену реакцияларын тудыру мүмкіндігін ашады және ғарыш кемелерін итеру үшін пайдалы болуы мүмкін.

Хиггс өндірісі

Екі нуклеонның өте жоғары энергиялы соқтығысуында теңіз кварктары мен глюондар өзара әрекеттесу жиілігіне басымдық етеді, сондықтан кварк жұбының жойылуы немесе екі глюонның "бірігуі" үшін нуклеонның антибөлшек болуы міндетті емес. Мұндай процестердің мысалдары, көптен ізделіп келген Хиггс бозонының пайда болуына себеп болады. Хиггс, жеңіл (валенттік) кварктардың жойылуы арқылы өте нашар тікелей өндіріледі, бірақ ауыр немесе теңіз немесе пайда болған кварктар қолжетімді. 2012 жылы Женевадағы CERN зертханасы, Ұлы адрондық коллайдерде (LHC) протон-протон соқтығысуларының нәтижесінде Хиггс бозонының табылуын хабарлады. Ең жоғары Хиггс шығымы екі глюонның бірігуінен (ауыр кварк жұбының жойылуы арқылы) пайда болады, ал екі кварк немесе антикварк, жасалған виртуалды векторлық бозон арқылы Хиггс сәулеленуі немесе мұндай екі векторлық бозонның жойылуы арқылы оңай анықталатын оқиғаларды тудырады.