Введение
Коллизия, вызывающая гамма-излучение. Аннигиляция электрона и позитрона происходит при столкновении электрона и позитрона (античастицы электрона). При низких энергиях результатом столкновения является аннигиляция электрона и позитрона и создание энергичных фотонов: + → +. При высоких энергиях могут создаваться и другие частицы, такие как B-мезоны или W и Z-бозоны. Все процессы должны удовлетворять ряду законов сохранения, включая: сохранение электрического заряда – суммарный заряд до и после реакции равен нулю; сохранение линейного импульса и полной энергии – это запрещает создание единственного фотона, однако в квантовой теории поля этот процесс допускается; см. примеры аннигиляции; сохранение углового момента; сохранение общего (т.е. чистого) числа лептонов, определяемого как разность между числом лептонов (например, электронов) и антилептонов (например, позитронов) – это можно рассматривать как закон сохранения (чистого) вещества. Как и любые два заряженных объекта, электроны и позитроны могут взаимодействовать друг с другом без аннигиляции, обычно посредством упругого рассеяния.
Electron–positron annihilation occurs when an electron and a positron (, the electron's antiparticle) collide. At low energies, the result of the collision is the annihilation of the electron and positron, and the creation of energetic photons:
+ → +
At high energies, other particles, such as B mesons or the W and Z bosons, can be created. All processes must satisfy a number of conservation laws, including:
Conservation of electric charge. The net charge before and after is zero. Conservation of linear momentum and total energy. This forbids the creation of a single photon. However, in quantum field theory this process is allowed; see examples of annihilation. Conservation of angular momentum. Conservation of total (i. e. net) lepton number, which is the number of leptons (such as the electron) minus the number of antileptons (such as the positron); this can be described as a conservation of (net) matter law. As with any two charged objects, electrons and positrons may also interact with each other without annihilating, in general by elastic scattering.
Небольшой энергозапас
Есть лишь очень ограниченный набор возможностей для конечного состояния. Наиболее вероятным является создание двух или более гамма-фотонов. Законы сохранения энергии и импульса запрещают создание только одного фотона. (Исключение из этого правила возможно для плотно связанных атомных электронов.) В наиболее распространенном случае создаются два гамма-фотона, каждый из которых обладает энергией, равной энергии покоя электрона или позитрона (0,511 МэВ). Удобной системой отсчета является та, в которой полная система не имеет импульса до аннигиляции; таким образом, после столкновения гамма-фотоны испускаются в противоположных направлениях. Также часто возникает создание трех фотонов, поскольку в некоторых состояниях с угловым моментом это необходимо для сохранения четности заряда. Возможно создание и большего числа фотонов, но вероятность уменьшается с каждым дополнительным гамма-фотоном, так как амплитуды вероятности для этих более сложных процессов ниже. Поскольку нейтрино также имеют массу, меньшую, чем у электронов, аннигиляция с образованием одной или нескольких пар нейтрино-антинейтрино также возможна, хотя и крайне маловероятна. Вероятность такого процесса примерно в 10 000 раз ниже, чем вероятность аннигиляции в фотоны. То же самое справедливо и для любых других частиц, столь же легких, при условии, что они обладают хотя бы одним фундаментальным взаимодействием с электронами и ни один закон сохранения не препятствует этому. Однако других таких частиц не известно.
Высокоэнергетический корпус
Если электрон или позитрон, или оба, обладают значительной кинетической энергией, могут рождаться и другие, более тяжелые частицы (например, D-мезоны или B-мезоны), так как относительные скорости содержат достаточно кинетической энергии для создания энергии покоя этих частиц. В качестве альтернативы возможно рождение фотонов и других легких частиц, но они будут вылетать с большей кинетической энергией. При энергиях, близких к массе и превышающих её для носителей слабого взаимодействия, W и Z бозонов, сила слабого взаимодействия становится сравнимой с электромагнитной силой.
Обратная реакция
Обратная реакция, аннигиляция фотонов в электрон-позитронную пару, является формой рождения пар, описываемой физикой двух фотонов.