АННИГИЛЯЦИЯ
Аннигиля́ция (лат. annihilatio — «полное уничтожение; отмена») — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.
Наиболее изученной является аннигиляция электрон-позитронной пары. При низких энергиях сталкивающихся электрона и позитрона, а также при аннигиляции их связанного состояния — позитрония — эта реакция аннигиляции даёт в конечном состоянии два или три фотона, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона. При энергиях порядка нескольких МэВ становится возможной и многофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары. При энергиях порядка сотен МэВ в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары рождаются в основном адроны.
Изучалась также и аннигиляция нуклон-антинуклонной пары (например, антипротона с протоном или нейтроном). В действительности, при взаимодействии антинуклонов с нуклонами (и вообще антиадронов с адронами) аннигилируют не сами адроны, а входящие в состав адронов антикварки и кварки. Более того, аннигилируют и кварк-антикварковые пары, входящие в состав одного адрона. Так, нейтральный пи-мезон π0 состоит из квантовомеханической комбинации кварк-антикварковых пар uu и dd; его распад в два фотона происходит вследствие аннигиляции такой пары.
Существуют не только электромагнитные процессы аннигиляции (как рассмотренные выше процессы аннигиляции электрон-позитронных и кварк-антикварковых пар в фотоны, а также распады нейтральных векторных мезонов в лептонные пары, например распад ро-мезона в электрон-позитронную пару), но также «слабая» и «сильная» аннигиляция, происходящая за счёт соответственно слабого и сильного взаимодействий. Примером слабой аннигиляции являются двухчастичные лептонные распады псевдоскалярных заряженных мезонов (такие как K + → μ+νμ), обусловленные аннигиляцией входящих в состав мезонов кварк-антикварковых пар в виртуальный векторный бозон W ±, который затем распадается в пару из заряженного и нейтрального лептонов (для вышеприведённого примера с положительным К-мезоном: K + (us) → W + (вирт.) → μ+νμ). При высоких энергиях наблюдаются также процессы слабой аннигиляции фермион-антифермионной (то есть кварк-антикварковой или лептон-антилептонной) пары в реальный W ±– или Z 0-бозон, причём сечение слабой аннигиляции растёт с ростом энергии, в отличие от электромагнитной и сильной.
Примером сильной аннигиляции являются некоторые распады кваркониев, более тяжёлых, чем нейтральный пион (J/ψ-мезон, ϒ-мезон и т. п.). Кварки в них могут аннигилировать с участием сильного взаимодействия в два или три глюона, в зависимости от суммарного спина, хотя такие процессы обычно подавлены правилом Окубо — Цвейга — Иизуки. Затем глюоны превращаются в кварк-антикварковые пары.
Аннигилирующие частица и античастица не обязаны быть одного типа; так, доминирующий распад заряженного пи-мезона π+ → μ+νμ обусловлен слабой аннигиляцией разнотипной пары кварков du в виртуальный W +-бозон, который затем распадается в пару лептонов[1]. Рассматривается процесс аннигиляции положительного мюона с электроном, аналогичный аннигиляции позитрона с электроном. Этот процесс экспериментально пока не наблюдался, поскольку закон сохранения лептонного числа не позволяет мюон-электронной паре (в отличие от позитрон-электронной пары) электромагнитно аннигилировать в фотоны и требует слабой аннигиляции в нейтрино. Например, в мюонии — квазиатоме, состоящем из μ+ и e −, — расчётная вероятность аннигиляции в пару нейтрино μ+ + e − → νμνe составляет лишь 6,6×10−12 от вероятности обычного распада мюона.
Процессом, обратным аннигиляции, является рождение пар частица-античастица. Так, рождение электрон-позитронной пары фотоном в электромагнитном поле атомного ядра является одним из основных процессов взаимодействия гамма-кванта с веществом при энергиях более 1 МэВ.
Аннигиляция звучит как что-то из мира фантастики, но на самом деле это очень реальное явление в физике. Суть аннигиляции сводится к взаимному уничтожению частицы и античастицы. Когда встречаются, например, электрон и позитрон (его античастица), они исчезают, превращаясь в энергию. В результате такой встречи обычно возникают фотоны, то есть частицы света. Интересный факт, что количество выделяемой энергии определяется знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc². В этом уравнении m – масса исчезающих частиц, а c – скорость света, благодаря чему даже небольшая масса превращается в огромное количество энергии.
Такое явление, как аннигиляция, находит своё применение в медицине, в частности в позитронно-эмиссионной томографии или ПЭТ. С помощью этого метода врачи могут изучать активность различных областей мозга. В недрах звёзд аннигиляция тоже играет свою роль, ведь именно так происходит превращение материи в энергию. Это явление происходит и в нашей Галактике, и его можно обнаружить, наблюдая за гамма-всплесками. В мире элементарных частиц аннигиляция – это своего рода баланс, эдакий танец противоположностей. А космические исследования в области аннигиляции могут открыть новые знания о происхождении вселенной.
Важно понимать, что аннигиляция не связана с какими-либо опасностями для человечества в обыденной жизни. Встреча античастиц с обычными частицами в природных условиях Земли – крайне редкое явление. Ведь античастицы существуют в космосе, но на Земле они появляются в основном в ходе сложных научных экспериментов. При этом учёные сталкиваются с большой проблемой: как сохранить античастицы от встречи с материей. Ведь любое, даже самое незначительное взаимодействие, приведёт к их аннигиляции. Исследование античастиц может дать ответы на многие вопросы о законах природы, на которых строится наше существование.
Аннигиляция никак не влияет на повседневную жизнь большинства людей. Это явление более актуально для физиков и астрономов, изучающих вопросы фундаментальных законов вселенной. Но это не значит, что оно не заслуживает внимания любознательных умов. В конце концов, понимание того, как устроен мир на самом микроскопическом уровне, делает нас более образованными и развивает мышление. Исследования в области аннигиляции и антиматерии также помогают развивать новые технологии. Может прийти время, и эта едва заметная частица нашего мира изменит его к лучшему.