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.

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.