Anihilacja

Diagram Feynmana przedstawiający anihilację elektronu z pozytonem. Powstaje foton, który następnie produkuje parę kwark–antykwark. Antykwark emituje gluon

Anihilacja (z łac. annihilatio – unicestwienie, zniweczenie, od nihil – nic) – w fizyce cząstek elementarnych to proces, który zachodzi, gdy cząstka subatomowa zderza się ze swoją antycząstką, wytwarzając inne cząstki, na przykład:

• elektron zderzając się z pozytonem, wytwarza dwa fotony;
• w wyniku anihilacji nukleonu z antynukleonem powstają także inne cząstki o spinie całkowitym.

Antycząstki mają dokładnie przeciwne liczby kwantowe do cząstek, więc sumy wszystkich liczb kwantowych takiej pary są równe zeru. Dlatego można wytworzyć zbiór cząstek, których całkowite liczby kwantowe są również równe zeru i spełnione są zasady zachowania energii, pędu i spinu.

Z zasady zachowania energii wynika, że powstające cząstki mają energię równą sumie energii anihilujących cząstek. Zasada zachowania pędu narzuca dodatkowe ograniczenia, z których wynika, że w wyniku anihilacji swobodnego elektronu z pozytonem, przy niewielkiej ich energii, powstają dwa fotony (cząstki) o jednakowych energiach i przeciwnie skierowane. Jeżeli jedna z cząstek jest związana z innym ciałem, np. elektron w atomie, albo nukleon w jądrze, to możliwa jest anihilacja z emisją jednej cząstki. Jeśli anihilują cząstki o znacznej energii mogą powstawać dodatkowe cząstki.

Proces odwrotny do anihilacji zwany kreacją par może zachodzić tylko przy oddziaływaniu fotonu o odpowiednio dużej energii z polem elektrycznym cząstki (np. jądrem atomowym lub elektronem).

Z punktu widzenia klasycznej elektrodynamiki jest to więc zamiana materii na promieniowanie elektromagnetyczne.

Anihilacja leptonów

Schematy anihilacji elektron-pozyton w zależności od ich energii

W wyniku anihilacji swobodnego elektronu ze swobodnym pozytonem, o niezbyt dużej energii kinetycznej, powstają zazwyczaj dwa fotony (99,8% rozpadów), zdarza się, że trzy lub więcej fotony. Elektron, jak i pozyton mają energię spoczynkową 0,511 MeV, energia promieniowania z anihilacji spoczywających wynosi 1,022 MeV. Energię tę przejmują powstające fotony, reakcja anihilacji spełnia także zasadę zachowania pędu, w układzie odniesienia związanego ze środkiem masy układu elektron-pozyton, pęd układu jest równy zeru, z czego wynika niemożliwość anihilacji swobodnej pary elektron-pozyton na jeden foton. W rozpadzie na dwa fotony mają one w tym układzie odniesienia przeciwne kierunki ruchu i równe energie.

Elektron z pozytonem o niewielkiej energii mogą utworzyć quasi-stabilny układ zwany pozytonium. Anihilacja takiego układu, w tym i prawdopodobieństwo rozpadu na większą liczbę fotonów zależy od jego stanu.

Anihilacja pary elektronowo-pozytonowej o dostatecznie dużej energii może powodować powstanie oprócz fotonów innych cząstek.

Anihilacja pozytonu z elektronem związanym z innymi cząstkami uwzględnia energię wiązania i może skutkować emisją jednego fotonu, wówczas pęd przejmuje cząstka z którą był związany elektron (zazwyczaj jądro atomowe). Pozytony bombardujące ciało skondensowane zazwyczaj zanim ulegną anihilacji wytracają energię kinetyczną.

Anihilacja barionów

W przypadku anihilacji pary proton–antyproton, ze względu na złożoność cząstek, anihilacja nie jest całkowita i prócz fotonów powstaje szereg innych cząstek. Podczas zetknięcia się protonu z antyprotonem kwarki będące elementami składowymi protonu łączą się z odpowiednimi antykwarkami antyprotonu tworząc mezony. Mezony są niestabilne i ulegają rozpadowi na inne cząstki takie jak mion, elektron, neutrino lub ich antycząstki oraz promieniowanie elektromagnetyczne w postaci fotonów gamma. Podobnie wygląda proces anihilacji innych barionów takich jak neutron i antyneutron.

Zobacz też

• paradoks Hardy’ego