Аннигиляция частиц: что происходит при столкновении частицы и античастицы? Энергия преобразуется в другие частицы, соблюдая законы сохранения. Физика высоких энергий.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Столкновение частицы и ее античастицы – это физический процесс аннигиляции частица-античастица.
Collision of a particle and its antiparticle
the physical process of particle–antiparticle annihilation
В физике частиц аннигиляция – это процесс, происходящий при столкновении субатомной частицы с ее античастицей, в результате чего образуются другие частицы, например, при столкновении электрона с позитроном образуются два фотона. Полная энергия и импульс исходной пары сохраняются в процессе и распределяются между набором других частиц в конечном состоянии. Античастицы имеют точно противоположные аддитивные квантовые числа по сравнению с частицами, поэтому сумма всех квантовых чисел исходной пары равна нулю. Следовательно, может быть произведен любой набор частиц, суммарные квантовые числа которых также равны нулю, при условии сохранения энергии, импульса и спина. При аннигиляции с низкой энергией предпочтительно образование фотонов, поскольку эти частицы не имеют массы. Высокоэнергетические коллайдеры частиц производят аннигиляции, в которых создается широкий спектр экзотических тяжелых частиц. Термин "аннигиляция" также неформально используется для обозначения взаимодействия двух частиц, которые не являются взаимными античастицами или заряженными сопряженными частицами. В этом случае некоторые квантовые числа могут не суммироваться до нуля в начальном состоянии, но сохраняются с теми же общими значениями в конечном состоянии. Примером является "аннигиляция" высокоэнергетичного электронного антинейтрино с электроном с образованием W-бозона. Если аннигилирующие частицы являются составными, такими как мезоны или барионы, то в конечном состоянии обычно образуется несколько различных частиц. Обратным процессом аннигиляции является рождение пар, процесс, в котором высокоэнергетический фотон преобразует свою энергию в массу.
In particle physics, annihilation is the process that occurs when a subatomic particle collides with its respective antiparticle to produce other particles, such as an electron colliding with a positron to produce two photons. The total energy and momentum of the initial pair are conserved in the process and distributed among a set of other particles in the final state. Antiparticles have exactly opposite additive quantum numbers from particles, so the sums of all quantum numbers of such an original pair are zero. Hence, any set of particles may be produced whose total quantum numbers are also zero as long as conservation of energy, conservation of momentum, and conservation of spin are obeyed. During a low energy annihilation, photon production is favored, since these particles have no mass. High energy particle colliders produce annihilations where a wide variety of exotic heavy particles are created. The word "annihilation" takes its use informally for the interaction of two particles that are not mutual antiparticles not charge conjugate. Some quantum numbers may then not sum to zero in the initial state, but conserve with the same totals in the final state. An example is the "annihilation" of a high energy electron antineutrino with an electron to produce a W boson. If the annihilating particles are composite, such as mesons or baryons, then several different particles are typically produced in the final state. The inverse of annihilation is pair production, the process in which a high energy photon converts its energy into mass.
Производство одного бозона
Если первоначальные две частицы являются элементарными (не составными), то они могут объединиться, чтобы произвести только один элементарный бозон, такой как фотон, глюон, или бозон Хиггса. Если общая энергия в системе отсчета центра масс равна массе покоя реального бозона (что невозможно для безмассового бозона, такого как фотон), то эта созданная частица будет существовать до тех пор, пока не распадется в соответствии со своим временем жизни. В противном случае процесс рассматривается как первоначальное создание виртуального бозона, который немедленно превращается в реальную пару частица + античастица. Это называется s-канальным процессом. Примером является аннигиляция электрона и позитрона с образованием виртуального фотона, который превращается в мюон и антимюон. Если энергия достаточно велика, то Z-бозон может заменить фотон.
If the initial two particles are elementary (not composite), then they may combine to produce only a single elementary boson, such as a photon , gluon , , or a Higgs boson If the total energy in the center of momentum frame is equal to the rest mass of a real boson (which is impossible for a massless boson such as the ), then that created particle will continue to exist until it decays according to its lifetime. Otherwise, the process is understood as the initial creation of a boson that is virtual, which immediately converts into a real particle + antiparticle pair. This is called an s channel process. An example is the annihilation of an electron with a positron to produce a virtual photon, which converts into a muon and anti muon. If the energy is large enough, a could replace the photon.
Протон-антипротонное уничтожение
Когда протон сталкивается со своей античастицей (и в более общем случае, если любой вид бариона сталкивается с соответствующим антибарионом), реакция не так проста, как аннигиляция электрон-позитрон. В отличие от электрона, протон – это составная частица, состоящая из трех "валентных кварков" и неопределенного числа "морских кварков", связанных глюонами. Таким образом, когда протон сталкивается с антипротоном, один из его кварков, как правило, валентный кварк, может аннигилировать с антикварком (который реже может быть морским кварком), производя глюон, после чего глюон вместе с оставшимися кварками, антикварками и глюонами претерпевает сложный процесс перестройки (называемый адронизацией или фрагментацией) в ряд мезонов (в основном пионов и каонов), которые разделяют общую энергию и импульс. Новообразованные мезоны нестабильны, и если они не столкнутся и не взаимодействуют с каким-либо другим веществом, они распадаются в серии реакций, которые в конечном итоге приводят к образованию только фотонов, электронов, позитронов и нейтрино. Этот тип реакции происходит между любым барионом (частицей, состоящей из трех кварков) и любым антибарионом, состоящим из трех антикварков, один из которых соответствует кварку в барионе. (Эта реакция маловероятна, если хотя бы один из бариона и антибариона достаточно экзотичен и не имеет общих кварковых ароматов.) Антипротоны могут и аннигилируют с нейтронами, и аналогично антинейтроны могут аннигилировать с протонами, как обсуждается ниже. Наблюдались реакции, в которых аннигиляция протон-антипротон приводит к образованию до 9 мезонов, в то время как теоретически возможно образование 13 мезонов. Образующиеся мезоны покидают место аннигиляции на умеренных долях скорости света и распадаются со временем жизни, соответствующим их типу. Аналогичные реакции происходят, когда антинуклеон аннигилирует в более сложном атомном ядре, за исключением того, что полученные мезоны, будучи сильно взаимодействующими, имеют значительную вероятность поглощения одним из оставшихся "зрительских" нуклонов, а не улетать. Поскольку поглощаемая энергия может достигать ~2 ГэВ, она в принципе может превышать энергию связи даже самых тяжелых ядер. Таким образом, когда антипротон аннигилирует внутри тяжелого ядра, такого как уран или плутоний, может произойти частичное или полное разрушение ядра, высвобождая большое количество быстрых нейтронов. Такие реакции открывают возможность инициирования значительного числа вторичных реакций деления в подкритической массе и потенциально могут быть полезны для космических двигателей.
When a proton encounters its antiparticle (and more generally, if any species of baryon encounters the corresponding antibaryon), the reaction is not as simple as electron–positron annihilation. Unlike an electron, a proton is a composite particle consisting of three "valence quarks" and an indeterminate number of "sea quarks" bound by gluons. Thus, when a proton encounters an antiproton, one of its quarks, usually a constituent valence quark, may annihilate with an antiquark (which more rarely could be a sea quark) to produce a gluon, after which the gluon together with the remaining quarks, antiquarks, and gluons will undergo a complex process of rearrangement (called hadronization or fragmentation) into a number of mesons, (mostly pions and kaons), which will share the total energy and momentum. The newly created mesons are unstable, and unless they encounter and interact with some other material, they will decay in a series of reactions that ultimately produce only photons, electrons, positrons, and neutrinos. This type of reaction will occur between any baryon (particle consisting of three quarks) and any antibaryon consisting of three antiquarks, one of which corresponds to a quark in the baryon. (This reaction is unlikely if at least one among the baryon and anti baryon is exotic enough that they share no constituent quark flavors.) Antiprotons can and do annihilate with neutrons, and likewise antineutrons can annihilate with protons, as discussed below. Reactions in which proton–antiproton annihilation produces as many as 9 mesons have been observed, while production of 13 mesons is theoretically possible. The generated mesons leave the site of the annihilation at moderate fractions of the speed of light and decay with whatever lifetime is appropriate for their type of meson. Similar reactions will occur when an antinucleon annihilates within a more complex atomic nucleus, save that the resulting mesons, being strongly interacting, have a significant probability of being absorbed by one of the remaining "spectator" nucleons rather than escaping. Since the absorbed energy can be as much as ~2 GeV, it can in principle exceed the binding energy of even the heaviest nuclei. Thus, when an antiproton annihilates inside a heavy nucleus such as uranium or plutonium, partial or complete disruption of the nucleus can occur, releasing large numbers of fast neutrons. Such reactions open the possibility for triggering a significant number of secondary fission reactions in a subcritical mass and may potentially be useful for spacecraft propulsion.
Производство Хиггса
При столкновениях двух нуклонов при очень высоких энергиях морские кварки и глюоны склонны доминировать в скорости взаимодействия, поэтому для аннигиляции пары кварков или "слияния" двух глюонов необязательно, чтобы один из нуклонов был античастицей. Примеры таких процессов вносят вклад в рождение давно искомого бозона Хиггса. Бозон Хиггса напрямую образуется очень слабо при аннигиляции легких (валентных) кварков, но доступны тяжелые, морские или рожденные кварки. В 2012 году лаборатория ЦЕРН в Женеве объявила об открытии бозона Хиггса в осколках столкновений протонов и протонов на Большом адронном коллайдере (LHC). Наибольший выход бозона Хиггса обеспечивается слиянием двух глюонов (через аннигиляцию пары тяжелых кварков), в то время как два кварка или антикварка производят более легко идентифицируемые события посредством излучения бозона Хиггса произведенным виртуальным векторным бозоном или аннигиляции двух таких векторных бозонов.
In collisions of two nucleons at very high energies, sea quarks and gluons tend to dominate the interaction rate, so neither nucleon need be an anti particle for annihilation of a quark pair or "fusion" of two gluons to occur. Examples of such processes contribute to the production of the long sought Higgs boson. The Higgs is directly produced very weakly by annihilation of light (valence) quarks, but heavy or sea or produced quarks are available. In 2012, the CERN laboratory in Geneva announced the discovery of the Higgs in the debris from proton–proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC). The strongest Higgs yield is from fusion of two gluons (via annihilation of a heavy quark pair), while two quarks or antiquarks produce more easily identified events through radiation of a Higgs by a produced virtual vector boson or annihilation of two such vector bosons.