Astronet > Annigilyaciya

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Na saite

Astrometriya

Astronomicheskie instrumenty

Astronomicheskoe obrazovanie

Astrofizika

Istoriya astronomii

Kosmonavtika, issledovanie kosmosa

Lyubitel'skaya astronomiya

Planety i Solnechnaya sistema

Solnce

Annigilyaciya
28.08.2001 0:00 | "Fizicheskaya Enciklopediya"/Phys.Web.Ru

Annigilyaciya pary chastica-antichastica (ot pozdnelat. annihilatio - unichtozhenie, ischeznovenie) - odin iz vidov vzaimoprevrasheniya elementarnyh chastic. Terminom "annigilyaciya" pervonachal'no nazyvalsya elektromagnitnyi process prevrasheniya elektrona i ego antichasticy - pozitrona pri ih stolknovenii v elektromagnitnoe izluchenie (v fotony, ili gamma-kvanty). Odnako etot termin neudachen, t. k. v processah annigilyacii materiya ne unichtozhaetsya, a lish' prevrashaetsya iz odnoi formy v druguyu.

Vozmozhnost' annigilyacii byla predskazana P. Dirakom (P. A. M. Dirac) na osnove razvitoi im kvantovomehanicheskoi relyativistskoi teorii elektrona (sm. Dyrok teoriya Diraka). V 1932 v kosmicheskih luchah byli obnaruzheny pervye antichasticy - pozitrony, v 1933 zaregistrirovany sluchai annigilyacii par elektron-pozitron.

V processe annigilyacii e⁺ i e^- pri summarnom spine stalkivayushihsya chastic J=0 ispuskaetsya (vsledstvie zakona sohraneniya zaryadovoi chetnosti v elektromagnitnom vzaimodeistvii) chetnoe chislo gamma-kvantov (prakticheski dva), a pri J=1 - nechetnoe (prakticheski tri; annigilyaciya v odin foton zapreshena zakonom sohraneniya energii-impul'sa). Obrazovanie bol'shogo chisla gamma-kvantov podavleno iz-za malosti konstanty $\alpha={\displaystyle 1\over\displaystyle 137}$ , harakterizuyushei intensivnost' protekaniya elektromagnitnyh processov. Esli otnositel'naya skorost' e⁺ i e^- nevelika, annigilyaciya s bol'shoi veroyatnost'yu proishodit cherez obrazovanie promezhutochnogo svyazannogo sostoyaniya (e⁺e^-) - pozitroniya.

Stolknovenie lyuboi chasticy s ee antichasticei mozhet privodit' k ih annigilyacii, prichem ne tol'ko za schet elektromagnitnogo vzaimodeistviya. Tak, annigilyaciya protonov i antiprotonov v pi-mezony (preimushestvenno v 5-6 pi-mezonov) vyzyvaetsya sil'nym vzaimodeistviem. Pri maloi otnositel'noi skorosti $r$ i $\tilde r$ ih annigilyaciya mozhet proishodit' cherez svyazannoe promezhutochnoe sostoyanie antiprotonnogo atoma (sm. Adronnye atomy) ili, vozmozhno, cherez barionii.

V otlichie ot annigilyacii pri nizkih energiyah stalkivayushihsya chastic, kogda v processe annigilyacii para chastica-antichastica prevrashaetsya v bolee legkie chasticy, pri vysokih energiyah legkie chasticy mogut annigilirovat' s obrazovaniem bolee tyazhelyh chastic (pri uslovii, chto polnaya energiya annigiliruyushih chastic prevyshaet porog rozhdeniya tyazhelyh chastic, ravnyi v sisteme centra inercii summe ih energii pokoya).

V eksperimentah na ustanovkah so vstrechnymi puchkami e⁺e^- vysokoi energii ( $\geq 1 GeV$ ) nablyudayutsya processy annigilyacii:
$e^+e^-\longrightarrow\mu^+\mu^-$ , (1)

$e^+e^-\longrightarrow$ adrony. (2)

V nizshem poryadke teorii vozmushenii kvantovoi elektrodinamiki process (1) opisyvaetsya annigilyacionnoi diagrammoi Feinmana s virtual'nym fotonom $\gamma^*$ (sm. Virtual'nye chasticy) v promezhutochnom sostoyanii (ris., a). Process (2) proishodit takzhe cherez virtual'nyi foton (ris., b); po sovremennym predstavleniyam, v etom sluchae $\gamma^*$ perehodit v paru bystryh kvarka ( $q$ ) i antikvarka ( $\tilde q$ ) (ris., v), kotorye, ispuskaya pri vzaimodeistvii s vakuumom pary kvark-antikvark, prevrashayutsya v adrony. Pri vysokih energiyah stolknoveniya obrazuyushiesya adrony sohranyayut napravlenie dvizheniya pervichnyh kvarka i antikvarka, i v konechnom sostoyanii nablyudayutsya dve adronnye strui. Sechenie takih processov umen'shaetsya obratno proporcional'no kvadratu 4-impul'sa virtual'nogo fotona (Q²) (sm. Partony, Kvantovaya hromodinamika). Eksklyuzivnyi process pryamogo perehoda $\gamma^*$ v adron i ego antichasticu (naprimer, v paru pi-mezonov $\pi^+\pi^-$ , ka-mezonov $K^+K^-$ , barion-antibarion) dopolnitel'no podavlen formfaktorom adrona (umen'shayushimsya s rostom Q²). Soglasno kvantovoi hromodinamike, vozmozhen takzhe process annigilyacii pozitroniya v paru $q\tilde{q}$ s ispuskaniem glyuona ( $g$ ) vysokoi energii (ris., g); v etom sluchae v konechnom sostoyanii dolzhny nablyudat'sya trehstruinye sobytiya. Otnosheniya (R) sechenii processov elektron-pozitronnoi annigilyacii. (2) i (1) ravno summe kvadratov elektricheskih zaryadov vseh obrazuyushihsya pri annigilyacii kvarkov. Kogda energiya pary e⁺e^- stanovitsya vyshe poroga rozhdeniya chastic novogo sorta - tyazhelyh leptonov ( $\tau^\pm$ ) ili chastic, v sostav kotoryh vhodyat tyazhelye kvarki $c,b$ , znachenie R vozrastaet na velichinu, sootvetstvuyushuyu vkladu novyh fundamental'nyh chastic. V eksperimentah po elektron-pozitronnoi annigilyacii nablyudaetsya rezonansnoe obrazovanie kvarkoniev - tyazhelyh istinno neitral'nyh mezonov $J/ \psi, \Upsilon$ i dr., interpretiruemyh kak svyazannye sostoyaniya sootvetstvenno $c\tilde{c}$ , $b\tilde{b}$ . Takie mezony dolzhny raspadat'sya za schet annigilyacii kvarka i antikvarka v dva ili tri glyuona (v zavisimosti ot ih polnogo uglovogo momenta). V processah elektron-pozitronnoi annigilyacii v adrony obrazuyutsya preimushestvenno mezony. Odnako s rostom energii stalkivayushihsya chastic nablyudaetsya znachitel'noe povyshenie vyhoda par barion-antibarion v inklyuzivnyh processah $e^+e^-\longrightarrow$ barion-antibarion + adrony.

V stolknoveniyah antinuklonov s nuklonami s otnositel'noi veroyatnost'yu 10^-4 mogut proishodit' processy elektromagnitnoi annigilyacii antikvarkov antinuklona s kvarkami nuklona. V rezul'tate takoi annigilyacii $q\tilde{q}$ obrazuetsya virtual'nyi foton $\gamma^*$ . raspadayushiisya na paru leptonov $e^+e^-$ ili $\mu^+\mu^-$ . Process rozhdeniya leptonnyh par v stolknoveniyah adronov opisyvaetsya v ramkah kvark-partonnoi modeli, prichem raschet elektromagnitnoi annigilyacii kvarkov i antikvarkov pozvolyaet v ramkah etoi modeli poluchit' soglasuyusheesya s nablyudeniyami opisanie harakteristik leptonnyh par s bol'shoi energiei (v sisteme centra inercii), rozhdayushihsya v stolknoveniyah adronov.

S rostom energii stalkivayushihsya chastic sechenie annigilyacii za schet sil'nogo i elektromagnitnogo vzaimodeistvii padaet, a za schet slabogo vzaimodeistviya - rastet. Poetomu pri vysokih energiyah v stolknoveniyah adronov mogut nablyudat'sya i processy slaboi annigilyacii kvarkov i antikvarkov v virtual'nyi ili real'nyi $W^\pm$ ili $Z^0$ -bozon slabogo vzaimodeistviya. Interferenciya sil'nogo i slabogo vzaimodeistvii adronov opredelyaet effekty slabogo vzaimodeistviya v stolknoveniyah adronov pri vysokih energiyah (nesohranenie chetnosti, odinochnoe rozhdenie strannyh i ocharovannyh chastic v stolknoveniyah "obychnyh" adronov i dr.).

Annigilyaciya elektronov i pozitronov mozhet proishodit' i cherez virtual'nyi $Z^0$ -bozon. Interferenciya slabogo i elektromagnitnogo vzaimodeistvii vyzyvaet narushenie prostranstvennoi chetnosti v etih processah (proyavlyayusheesya, naprimer, v asimmetrii uglovogo raspredeleniya par $\mu^+\mu^-$ ili adronnyh strui). Pri energii v sisteme centra inercii pary $e^+e^-$ , ravnoi masse (v energeticheskih edinicah) $Z^0$ -bozona, annigilyaciya pary dolzhna proishodit' rezonansno - s prevrasheniem v real'nyi $Z^0$ -bozon. Dvuhchastichnye leptonnye raspady psevdoskalyarnyh zaryazhennyh mezonov (naprimer, $\pi^+\longrightarrow\mu^+\nu_\mu, K^+\longrightarrow\mu^+\nu_\mu$ ) obuslovleny annigilyaciei sostavlyayushih mezony kvarkov-antikvarkov ( $u\tilde{d}\longrightarrow\mu^+\nu_\mu, u\tilde{s}\longrightarrow\mu^+\nu_\mu$ ) za schet slabogo vzaimodeistviya, a raspady neitral'nyh vektornyh mezonov ( $\rho^0,\omega,\varphi$ i dr.) na leptonnye pary (naprimer, $\rho^0\longrightarrow e^+e^-,\mu^+\mu^-$ ) i raspady psevdoskalyarnyh neitronnyh mezonov ( $\pi^0,\eta$ ) na dva gamma-kvanta - kvark-antikvarkovaya annigilyaciya za schet elektromagnitnogo vzaimodeistviya. V raspadah mezonov, v sostav kotoryh vhodit $c$ - ili $b$ -kvark, processy annigilyacii za schet slabogo vzaimodeistviya, naprimer $c\tilde{s}\longrightarrow d\tilde{u},c\tilde{s}\longrightarrow l\nu_l$ ; (gde l - lepton, $v_l$ - sootvetstvuyushie emu neitrino), mogut uvelichit' veroyatnost' raspadov ocharovannyh chastic.

Po analogii s elektron-pozitronnoi annigilyaciei teoreticheski obsuzhdaetsya vozmozhnyi process annigilyacii pary leptonov - elektronnogo antineitrino i elektrona ( $\tilde\nu_e+e^-\longrightarrow\tilde\nu_\mu+\mu^-$ ili $\tilde\nu_e+e^-\longrightarrow$ adrony), vyzyvaemyi slabym vzaimodeistviem.

V estestvennyh usloviyah processy annigilyacii mogut proishodit' vblizi kosmicheskih istochnikov antichastic (aktivnyh yader galaktik, pul'sarov) i pri vzaimodeistvii kosmicheskih antiprotonov i pozitronov s veshestvom. Takie processy kosmicheskoi annigilyacii mogut nablyudat'sya metodami gamma-astronomii po annigilyacionnomu kosmicheskomu izlucheniyu. Rezul'taty etih nablyudenii ukazyvayut na otsutstvie zametnogo kolichestva antiveshestva v okruzhayushei nas chasti Vselennoi vplot' do masshtaba skopleniya galaktik i svidetel'stvuyut v pol'zu barionnoi asimmetrii Vselennoi. V sootvetstvii s teoriei goryachei Vselennoi na rannih stadiyah evolyucii Vselennoi processy annigilyacii (i obratnye im processy rozhdeniya par) za schet elektromagnitnogo, sil'nogo i slabogo vzaimodeistvii, naprimer $e^+e^-\longleftrightarrow2\gamma$ , $q\tilde{q}\longleftrightarrow e^+e^-$ , $q\tilde{q}\longleftrightarrow 2g$ , $e^+e^-\longleftrightarrow\nu_e\tilde\nu_e$ , obespechivali termodinamicheskoe ravnovesie relyativistskoi plazmy chastic i antichastic i elektromagnitnogo izlucheniya. Pri ponizhenii temperatury rasshiryayusheisya Vselennoi nizhe velichiny, otvechayushei masse chastic dannogo sorta (ispol'zuetsya sistema edinic, v kotoroi $\hbar=c=k=1$ ), dolzhna byla proishodit' annigilyaciya sootvetstvuyushih chastic i antichastic v bolee legkie chasticy. Vremya zhizni $\tau_A$ antichastic (ili chastic) otnositel'no ih annigilyacii s chasticami (antichasticami) obratno proporcional'no koncentracii chastic (antichastic). V rasshiryayusheisya Vselennoi, kogda $\tau_A$ stanovitsya bol'she vremeni rasshireniya, annigilyaciya prekrashaetsya i proishodit t. n. zakalka koncentracii chastic i antichastic. Predstavlenie o "zakalke" koncentracii massivnyh metastabil'nyh chastic (magnitnyh monopolei, ekzoticheskih chastic, poyavlyayushihsya v nekotoryh modelyah velikogo ob'edineniya i rasshirennoi supergravitacii) i analiz ih posleduyushego vliyaniya na astrofizicheskie processy na bolee pozdnih stadiyah rasshireniya Vselennoi igraet vazhnuyu rol' dlya polucheniya astrofizicheskih ogranichenii na parametry modelei, predskazyvayushih sushestvovanie takih chastic.

Annigilyacionnoe izluchenie v astrofizike. Nablyudenie izlucheniya, voznikayushego pri annigilyacii pozitronov i elektronov, pozvolyaet obnaruzhit' vo Vselennoi oblasti (ob'ekty), gde rozhdayutsya antichasticy (pozitrony), i opredelit' fizicheskie harakteristiki takih oblastei.

V astrofizicheskih usloviyah pozitrony rozhdayutsya, kak pravilo, relyativistskimi. Kogda oni popadayut v sravnitel'no holodnuyu sredu (s temperaturoi $T\ll mc^2/k=6\cdot10^9 K, mc^2=511 keV$ - energiya pokoya elektrona), to iz-za maloi veroyatnosti annigilyacii po sravneniyu s veroyatnostyami processov, privodyashih k tormozheniyu pozitronov (rasseyanie na elektronah i atomah, vozbuzhdenie i ionizaciya atomov), ih bol'shaya chast' uspevaet zamedlit'sya do nerelyativistskih energii i lish' zatem annigiliruet.

Pri dvuhfotonnoi annigilyacii nerelyativistskih pozitrona i elektrona (naibolee rasprostranennoi v astrofizicheskih usloviyah) energii obrazuyushihsya fotonov $\varepsilon$ blizki k energii pokoya elektrona, t. e. spektr annigilyacionnogo izlucheniya (AI) imeet vid linii (annigilyacionnaya liniya - AL). Eto pozvolyaet vydelyat' AI na fone nepreryvnogo spektra, voznikayushego pri drugih processah. Smeshenie energii annigilyacionnyh fotonov ot znacheniya $mc^2$ vyzvana effektom Doplera iz-za dvizheniya centra mass annigiliruyushei pary: $\varepsilon=mc^2(1+V/c)$ , gde V - proekciya skorosti centra mass na napravlenie vyleta fotona. Razbros skorostei V privodit k doplerovskomu ushireniyu AL. Pri annigilyacii termalizovannyh pozitronov s energiei $\mathcal{E}_T\sim kT$ so svobodnymi elektronami plazmy (kak pryamoi, tak i s predvaritel'nym obrazovaniem pozitroniya $Ps$ ) razbros V yavlyaetsya teplovym i shirina AL (na polovine maksimuma) $\Delta\mathcal{E}=0,011 T^{1/2} keV$ .

V otlichie ot dvuhfotonnogo, trehfotonnoe AI, voznikayushee pri annigilyacii ortopozitroniya ³ $Ps$ (obrazuyushegosya v teh zhe processah, chto i parapozitronii ² $Ps$ ). imeet nepreryvnyi spektr, lezhashii nizhe 511 keV. Registraciya etogo spektra (vmeste s AL) pozvolyaet ocenit' dolyu pozitronov, annigiliruyushih s obrazovaniem pozitroniya $Ps$ , i tem samym fizicheskoi harakteristiki oblasti annigilyacii.

Spektr odnofotonnogo AI, sushestvennogo pri nalichii sverhsil'nogo magnitnogo polya (kogda elektron i pozitron nahodyatsya na osnovnom urovne Landau, sm. Ciklotronnaya chastota), imeet vid asimmetrichnoi linii s rezkim obryvom v storonu men'shih energii ot maksimuma pri $\varepsilon\approx2mc^2/|\sin\nu|$ , gde $\nu$ - ugol mezhdu napravleniem AI i magnitnym polem. Uglovoe raspredelenie izlucheniya sil'no vytyanuto v ploskosti, perpendikulyarnoi magnitnomu polyu. Sil'noe magnitnoe pole menyaet takzhe harakteristiki dvuhfotonnogo AI. S uvelicheniem polya (pri $B\geq 10^12$ Gs) moshnost' i vysota AL umen'shayutsya, liniya stanovitsya asimmetrichnoi, sdvigaetsya v storonu bolee vysokih energii i ushiryaetsya (prevrashayas' pri $B\geq 10^13$ Gs v nepreryvnyi spektr, lezhashii nizhe $2mc^2/(1+|\cos\nu|$ ), a napravleniya vyleta fotonov koncentriruyutsya k ploskosti, perpendikulyarnoi magnitnomu polyu.

AI obnaruzheno v spektrah vspyshek na Solnce, v izluchenii galakticheskogo centra i kosmicheskih gamma-vspleskah.

AI solnechnyh vspyshek nablyudalos' na sputnikah OSO-7 (SShA, 1972) i SMM (SShA, 1980, 1982). Annigiliruyushie pozitrony obrazuyutsya, po-vidimomu, pri raspade radioaktivnyh yader i pi-mezonov, voznikayushih pri yadernyh vzaimodeistviyah uskorennyh vo vspyshke ionov s solnechnym veshestvom. Shirina AL (<20 keV) sootvetstvuet temperature v oblasti annigilyacii $T\lt3\cdot10^6$ , a zavisimost' AL ot vremeni pokazyvaet, chto plotnost' veshestva v oblasti annigilyacii <10¹⁴ sm^-3.

AI iz oblasti centra Galaktiki nablyudalos' nachinaya s 1968 (apparaturoi, podnyatoi na ballonah na vysotu ~40 km), zatem na sputnike NEAO-3 (SShA, s 1979). Intensivnost' AL prakticheski ne menyalas' do nachala 1980, posle chego menee chem za god upala nizhe poroga chuvstvitel'nosti detektorov. Malaya shirina AL ( $\lesssim$ 2,5 keV v poslednih nablyudeniyah) oznachaet, chto AI obrazuetsya termalizovannymi pozitronami v srede s $T\lesssim5\cdot10^4 K$ . Peremennost' AI nakladyvaet ogranicheniya na razmer oblasti annigilyacii $\lt10^{18}$ sm) i koncentraciyu chastic N v nei ( $N\lt10^5$ sm^-3). V otdel'nyh izmereniyah naryadu s AL nablyudalsya, po-vidimomu, nepreryvnyi spektr trehfotonnoi annigilyacii ³ $Ps$ . Istochnik pozitronov neizvesten. Predpolozhitel'no pozitrony generiruyutsya v okrestnosti massivnoi akkreciruyushei chernoi dyry, vozmozhno imeyusheisya v centre Galaktiki.

Emissionnye linii s maksimumami pri $\varepsilon\approx350-450$ keV byli obnaruzheny v spektrah neskol'kih gamma-vspleskov na AMS "Venera-11" - "Venera-14" (1978-83). Oni interpretiruyutsya kak AL dvuhfotonnogo AI, sdvinutye na 50-150 keV iz-za gravitacionnogo krasnogo smesheniya v pole sily tyazhesti neitronnoi zvezdy - istochnika gamma-vspleska. Sravnitel'naya uzost' linii nakladyvaet ogranicheniya na temperatury ( $kT\lt50$ keV) i magnitnogo polya ( $B\lt10^{13}$ Gs) v oblasti annigilyacii. Mehanizm obrazovaniya pozitronov neyasen.

Osnovnye harakteristiki nablyudavshegosya kosmicheskogo annigilyacionnogo izlucheniya
Istochnik	Solnechnye vspyshki	Centr Galaktiki	Gamma-vspleski
Maksimal'naya intensivnost', foton/(sm² s)	$5\cdot10^{-1}$	$2\cdot10^{-3}$	1
Svetimost' istochnika v annigilyacionnoi linii, erg/s	$2\cdot10^{21}$	$2\cdot10^{37}$	10³⁸ (D*/1 kpk)²
Harakternye vremena, s	10²-10³	10⁷-10⁸	0.1-10
Shirina annigilyacionnoi linii, keV	<20	<3	~100

Glossarii Astronet.ru

Publikacii s klyuchevymi slovami: annigilyaciya - antiveshestvo Publikacii so slovami: annigilyaciya - antiveshestvo
Sm. takzhe: Vnutri detektora antineitrino v Daiya Bei Nad Antarktidoi lovyat antiveshestvo Galakticheskoe oblako antiveshestva Annigilyaciya Barionnaya asimmetriya Vselennoi Antichasticy Antiproton Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati