АННИГИЛЯЦИЯ

Аннигиляция - Аннигиляция пары частица-античастица (от позднелат. annihilatio - уничтожение, исчезновение) - один из видов взаимопревращения элементарных частиц. Термином "аннигиляция" первоначально назывался электромагнитный процесс превращения электрона и его античастицы - позитрона при их столкновении в электромагнитное излучение (в фотоны, или гамма-кванты). Однако этот термин неудачен, т. к. в процессах аннигиляции материя не уничтожается, а лишь превращается из одной формы в другую. Возможность аннигиляции была предсказана П. Дираком (P. A. M. Dirac) на основе развитой им квантовомеханической релятивистской теории электрона (см. Дырок теория Дирака). В 1932 в космических лучах были обнаружены первые античастицы - позитроны, в 1933 зарегистрированы случаи аннигиляции пар электрон-позитрон. В процессе аннигиляции е+ и е- при суммарном спине сталкивающихся частиц J=0 испускается (вследствие закона сохранения зарядовой четности в электромагнитном взаимодействии) четное число гамма-квантов (практически два), а при J=1 - нечетное (практически три; аннигиляция в один фотон запрещена законом сохранения энергии-импульса). Образование большого числа гамма-квантов подавлено из-за малости константы , характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов. Если относительная скорость е+ и е- невелика, аннигиляция с большой вероятностью происходит через образование промежуточного связанного состояния (е+е-) - позитрония. Столкновение любой частицы с ее античастицей может приводить к их аннигиляции, причем не только за счет электромагнитного взаимодействия. Так, аннигиляция протонов и антипротонов в пи-мезоны (преимущественно в 5-6 пи-мезонов) вызывается сильным взаимодействием. При малой относительной скорости и их аннигиляция может происходить через связанное промежуточное состояние антипротонного атома (см. Адронные атомы) или, возможно, через барионий. В отличие от аннигиляции при низких энергиях сталкивающихся частиц, когда в процессе аннигиляции пара частица-античастица превращается в более легкие частицы, при высоких энергиях легкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжелых частиц (при условии, что полная энергия аннигилирующих частиц превышает порог рождения тяжелых частиц, равный в системе центра инерции сумме их энергий покоя). В экспериментах на установках со встречными пучками е+е- высокой энергии () наблюдаются процессы аннигиляции: ,(1) адроны.(2) В низшем порядке теории возмущений квантовой электродинамики процесс (1) описывается аннигиляционной диаграммой Фейнмана с виртуальным фотоном (см. Виртуальные частицы) в промежуточном состоянии (рис., а). Процесс (2) происходит также через виртуальный фотон (рис., б); по современным представлениям, в этом случае переходит в пару быстрых кварка () и антикварка () (рис., в), которые, испуская при взаимодействии с вакуумом пары кварк-антикварк, превращаются в адроны. При высоких энергиях столкновения образующиеся адроны сохраняют направление движения первичных кварка и антикварка, и в конечном состоянии наблюдаются две адронные струи. Сечение таких процессов уменьшается обратно пропорционально квадрату 4-импульса виртуального фотона (Q2) (см. Партоны, Квантовая хромодинамика). Эксклюзивный процесс прямого перехода в адрон и его античастицу (например, в пару пи-мезонов , ка-мезонов , барион-антибарион) дополнительно подавлен формфактором адрона (уменьшающимся с ростом Q2). Согласно квантовой хромодинамике, возможен также процесс аннигиляции позитрония в пару с испусканием глюона () высокой энергии (рис., г); в этом случае в конечном состоянии должны наблюдаться трехструйные события. Отношения (R) сечений процессов электрон-позитронной аннигиляции. (2) и (1) равно сумме квадратов электрических зарядов всех образующихся при аннигиляции кварков. Когда энергия пары е+е- становится выше порога рождения частиц нового сорта - тяжелых лептонов () или частиц, в состав которых входят тяжелые кварки , значение R возрастает на величину, соответствующую вкладу новых фундаментальных частиц. В экспериментах по электрон-позитронной аннигиляции наблюдается резонансное образование кваркониев - тяжелых истинно нейтральных мезонов и др., интерпретируемых как связанные состояния соответственно , . Такие мезоны должны распадаться за счет аннигиляции кварка и антикварка в два или три глюона (в зависимости от их полного углового момента). В процессах электрон-позитронной аннигиляции в адроны образуются преимущественно мезоны. Однако с ростом энергии сталкивающихся частиц наблюдается значительное повышение выхода пар барион-антибарион в инклюзивных процессах барион-антибарион + адроны. В столкновениях антинуклонов с нуклонами с относительной вероятностью 10-4 могут происходить процессы электромагнитной аннигиляции антикварков антинуклона с кварками нуклона. В результате такой аннигиляции образуется виртуальный фотон . распадающийся на пару лептонов или . Процесс рождения лептонных пар в столкновениях адронов описывается в рамках кварк-партонной модели, причем расчет электромагнитной аннигиляции кварков и антикварков позволяет в рамках этой модели получить согласующееся с наблюдениями описание характеристик лептонных пар с большой энергией (в системе центра инерции), рождающихся в столкновениях адронов. С ростом энергии сталкивающихся частиц сечение аннигиляции за счет сильного и электромагнитного взаимодействий падает, а за счет слабого взаимодействия - растет. Поэтому при высоких энергиях в столкновениях адронов могут наблюдаться и процессы слабой аннигиляции кварков и антикварков в виртуальный или реальный или -бозон слабого взаимодействия. Интерференция сильного и слабого взаимодействий адронов определяет эффекты слабого взаимодействия в столкновениях адронов при высоких энергиях (несохранение четности, одиночное рождение странных и очарованных частиц в столкновениях "обычных" адронов и др.). Аннигиляция электронов и позитронов может происходить и через виртуальный -бозон. Интерференция слабого и электромагнитного взаимодействий вызывает нарушение пространственной четности в этих процессах (проявляющееся, например, в асимметрии углового распределения пар или адронных струй). При энергии в системе центра инерции пары , равной массе (в энергетических единицах) -бозона, аннигиляция пары должна происходить резонансно - с превращением в реальный -бозон. Двухчастичные лептонные распады псевдоскалярных заряженных мезонов (например, ) обусловлены аннигиляцией составляющих мезоны кварков-антикварков () за счет слабого взаимодействия, а распады нейтральных векторных мезонов ( и др.) на лептонные пары (например, ) и распады псевдоскалярных нейтронных мезонов () на два гамма-кванта - кварк-антикварковая аннигиляция за счет электромагнитного взаимодействия. В распадах мезонов, в состав которых входит - или -кварк, процессы аннигиляции за счет слабого взаимодействия, например ; (где l - лептон, - соответствующие ему нейтрино), могут увеличить вероятность распадов очарованных частиц. По аналогии с электрон-позитронной аннигиляцией теоретически обсуждается возможный процесс аннигиляции пары лептонов - электронного антинейтрино и электрона ( или адроны), вызываемый слабым взаимодействием. В естественных условиях процессы аннигиляции могут происходить вблизи космических источников античастиц (активных ядер галактик, пульсаров) и при взаимодействии космических антипротонов и позитронов с веществом. Такие процессы космической аннигиляции могут наблюдаться методами гамма-астрономии по аннигиляционному космическому излучению. Результаты этих наблюдений указывают на отсутствие заметного количества антивещества в окружающей нас части Вселенной вплоть до масштаба скопления галактик и свидетельствуют в пользу барионной асимметрии Вселенной. В соответствии с теорией горячей Вселенной на ранних стадиях эволюции Вселенной процессы аннигиляции (и обратные им процессы рождения пар) за счет электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, например , , , , обеспечивали термодинамическое равновесие релятивистской плазмы частиц и античастиц и электромагнитного излучения. При понижении температуры расширяющейся Вселенной ниже величины, отвечающей массе частиц данного сорта (используется система единиц, в которой ), должна была происходить аннигиляция соответствующих частиц и античастиц в более легкие частицы. Время жизни античастиц (или частиц) относительно их аннигиляции с частицами (античастицами) обратно пропорционально концентрации частиц (античастиц). В расширяющейся Вселенной, когда становится больше времени расширения, аннигиляция прекращается и происходит т. н. закалка концентрации частиц и античастиц. Представление о "закалке" концентрации массивных метастабильных частиц (магнитных монополей, экзотических частиц, появляющихся в некоторых моделях великого объединения и расширенной супергравитации) и анализ их последующего влияния на астрофизические процессы на более поздних стадиях расширения Вселенной играет важную роль для получения астрофизических ограничений на параметры моделей, предсказывающих существование таких частиц. Аннигиляционное излучение в астрофизике. Наблюдение излучения, возникающего при аннигиляции позитронов и электронов, позволяет обнаружить во Вселенной области (объекты), где рождаются античастицы (позитроны), и определить физические характеристики таких областей. В астрофизических условиях позитроны рождаются, как правило, релятивистскими. Когда они попадают в сравнительно холодную среду (с температурой - энергия покоя электрона), то из-за малой вероятности аннигиляции по сравнению с вероятностями процессов, приводящих к торможению позитронов (рассеяние на электронах и атомах, возбуждение и ионизация атомов), их большая часть успевает замедлиться до нерелятивистских энергий и лишь затем аннигилирует. При двухфотонной аннигиляции нерелятивистских позитрона и электрона (наиболее распространенной в астрофизических условиях) энергии образующихся фотонов близки к энергии покоя электрона, т. е. спектр аннигиляционного излучения (АИ) имеет вид линии (аннигиляционная линия - АЛ). Это позволяет выделять АИ на фоне непрерывного спектра, возникающего при других процессах. Смещение энергии аннигиляционных фотонов от значения вызвана эффектом Доплера из-за движения центра масс аннигилирующей пары: , где V - проекция скорости центра масс на направление вылета фотона. Разброс скоростей V приводит к доплеровскому уширению АЛ. При аннигиляции термализованных позитронов с энергией со свободными электронами плазмы (как прямой, так и с предварительным образованием позитрония ) разброс V является тепловым и ширина АЛ (на половине максимума) . В отличие от двухфотонного, трехфотонное АИ, возникающее при аннигиляции ортопозитрония 3 (образующегося в тех же процессах, что и парапозитроний 2). имеет непрерывный спектр, лежащий ниже 511 кэВ. Регистрация этого спектра (вместе с АЛ) позволяет оценить долю позитронов, аннигилирующих с образованием позитрония , и тем самым физической характеристики области аннигиляции. Спектр однофотонного АИ, существенного при наличии сверхсильного магнитного поля (когда электрон и позитрон находятся на основном уровне Ландау, см. Циклотронная частота), имеет вид асимметричной линии с резким обрывом в сторону меньших энергий от максимума при , где - угол между направлением АИ и магнитным полем. Угловое распределение излучения сильно вытянуто в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Сильное магнитное поле меняет также характеристики двухфотонного АИ. С увеличением поля (при Гс) мощность и высота АЛ уменьшаются, линия становится асимметричной, сдвигается в сторону более высоких энергий и уширяется (превращаясь при Гс в непрерывный спектр, лежащий ниже ), а направления вылета фотонов концентрируются к плоскости, перпендикулярной магнитному полю. АИ обнаружено в спектрах вспышек на Солнце, в излучении галактического центра и космических гамма-всплесках. АИ солнечных вспышек наблюдалось на спутниках OSO-7 (США, 1972) и SMM (США, 1980, 1982). Аннигилирующие позитроны образуются, по-видимому, при распаде радиоактивных ядер и пи-мезонов, возникающих при ядерных взаимодействиях ускоренных во вспышке ионов с солнечным веществом. Ширина АЛ (, а зависимость АЛ от времени показывает, что плотность вещества в области аннигиляции 14 см-3. АИ из области центра Галактики наблюдалось начиная с 1968 (аппаратурой, поднятой на баллонах на высоту ~40 км), затем на спутнике НЕАО-3 (США, с 1979). Интенсивность АЛ практически не менялась до начала 1980, после чего менее чем за год упала ниже порога чувствительности детекторов. Малая ширина АЛ (2,5 кэВ в последних наблюдениях) означает, что АИ образуется термализованными позитронами в среде с . Переменность АИ накладывает ограничения на размер области аннигиляции см) и концентрацию частиц N в ней ( см-3). В отдельных измерениях наряду с АЛ наблюдался, по-видимому, непрерывный спектр трехфотонной аннигиляции 3. Источник позитронов неизвестен. Предположительно позитроны генерируются в окрестности массивной аккрецирующей черной дыры, возможно имеющейся в центре Галактики. Эмиссионные линии с максимумами при кэВ были обнаружены в спектрах нескольких гамма-всплесков на АМС "Венера-11" - "Венера-14" (1978-83). Они интерпретируются как АЛ двухфотонного АИ, сдвинутые на 50-150 кэВ из-за гравитационного красного смещения в поле силы тяжести нейтронной звезды - источника гамма-всплеска. Сравнительная узость линий накладывает ограничения на температуры ( кэВ) и магнитного поля ( Гс) в области аннигиляции. Механизм образования позитронов неясен. Основные характеристики наблюдавшегося космического аннигиляционного излучения Источник Солнечные вспышки Центр Галактики Гамма-всплески Максимальная интенсивность, фотон/(см2 с) 1 Светимость источника в аннигиляционной линии, эрг/с 1038(D*/1 кпк)2 Характерные времена, с 102-103 107-108 0.1-10 Ширина аннигиляционной линии, кэВ ~100