Аннигиляция и рождение пар частица-античастица. В физике термин «аннигиляция» [буквально означающий «исчезновение», «уничтожение» (лат. annihilatio, от ad — к и nihil — ничто)] принят для наименования процесса, в котором частица и отвечающая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение — фотоны или в другие частицы — кванты физического поля иной природы (см. Поля физические). Рождение пары — это обратный процесс, при котором в результате взаимодействия электромагнитных или других полей одновременно возникают частица и античастица. Например, при соударении электрона и его античастицы — позитрона — оба они могут исчезнуть, образовав два фотона (гамма-кванта); столкновение протона и антипротона может привести к их взаимоуничтожению, которое сопровождается одновременным появлением нескольких гораздо более лёгких частиц, квантов ядерного поля — пи-мезонов; гамма-квант, если он обладает достаточно большой энергией, может, взаимодействуя с электрическим полем атомного ядра, породить пару электрон-позитрон (см. рис.). Таким образом, речь идёт не об уничтожении или самопроизвольном возникновении материи, а лишь о взаимопревращениях частиц. Эти взаимопревращения управляются фундаментальными законами сохранения, такими, как законы сохранения энергии и количества движения (импульса), момента количества движения, электрического заряда, числа лептонов, числа барионов и др. (см. Сохранения законы).
Возможность А. и р. п., как и само существование античастиц, была теоретически предсказана в 1930 английским физиком П. Дираком: они вытекали из развитой им теории электрона. В 1932 американский Физик К. Андерсон экспериментально доказал существование позитронов в космических лучах. В 1933 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри с помощью Вильсона камеры, помещенной в магнитное поле, наблюдали рождение электрон-позитронных пар гамма-квантами от радиоактивного источника. В том же году были надёжно зарегистрированы случаи аннигиляции пар электрон-позитрон.
Современное истолкование А. и р. п. даёт квантовая теория поля.
Открытие А. и р. п. представляет глубокий интерес не только с точки зрения физики. Оно имеет важное философское значение. Впервые в истории естествознания было доказано, что не существует неделимых частиц — последних «кирпичей мироздания», из которых формируются все материальные объекты, как думали до 30-х гг. 20 в. Любая форма материи может превращаться в другие формы.
Аннигиляция пары электрон-позитрон. Попав в вещество, позитрон практически полностью теряет скорость из-за потерь энергии на ионизацию атомов. Поэтому непосредственно перед аннигиляцией позитрон можно считать покоящимся, т. е. позитрон и «обречённый на уничтожение» электрон находятся, скорее всего, в состоянии, в котором момент количества движения (относительного) этих частиц равен нулю. Дальнейшая судьба пары определяется взаимной ориентацией внутренних моментов количества движения частиц — их спинов. Если спины электрона и позитрона (равные 1/2), направлены в противоположные стороны, т. е. их суммарный спин равен нулю, то в результате аннигиляции может образоваться лишь чётное число фотонов: запрет на образование нечётного числа фотонов связан с одним из законов сохранения, — законом сохранения так называемой зарядовой чётности (см. Зарядовое сопряжение). Однако вероятность аннигиляции с появлением четырёх и более фотонов ничтожно мала, и подавляющее большинство пар аннигилирует, образуя два фотона. Образовавшиеся фотоны летят в противоположные стороны, и каждый из них забирает половину первоначальной энергии системы электрон-позитрон, т. е. примерно энергию покоя электрона mс2 = 0,51 Мэв (m — масса электрона, с — скорость света в вакууме). (Согласно теории относительности А. Эйнштейна, с массой М покоящейся частицы связана энергия E0 = Mc2, которая и называется энергией покоя.)
Если же перед аннигиляцией спины электрона и позитрона оказываются параллельными, так что их суммарный спин равен 1, то возможно лишь образование нечётного числа, а практически — трёх фотонов (аннигиляция свободных электрона и позитрона с излучением одного фотона запрещена законом сохранения импульса). Трёхфотонная аннигиляция происходит гораздо реже, чем двухфотонная: в среднем лишь два-три из каждой тысячи попавших в вещество позитронов аннигилируют в три фотона.
Однако небольшой доле позитронов, «удаётся» аннигилировать, сохранив ещё достаточно высокую скорость. При этом угол разлёта фотонов зависит от этой скорости. При больших энергиях аннигилирующих позитронов возникающие фотоны испускаются преимущественно вперед и назад по направлению движения позитрона. Фотон, летящий вперёд, забирает почти всю энергию позитрона, на долю же фотона, летящего назад, остаётся только энергия, равная примерно энергии покоя электрона mс2. Таким образом, при прохождении быстрых позитронов через вещество образуется пучок высокоэнергетических гамма-квантов, летящих в одну сторону. Этим иногда пользуются физики-экспериментаторы для получения монохроматического пучка фотонов сочень большой энергией.
В веществе позитроны «живут» очень недолго: в типичных твёрдых телах за время около 10-10 сек — за ничтожный с обычной точки зрения промежуток времени — процесс аннигиляции уничтожает больше двух третей всех оказавшихся в веществе позитронов. [Позитрон — стабильная частица (он ни на что не распадается) и в вакууме может существовать бесконечно долго.]
Часто, особенно в газах, аннигиляция идёт через промежуточный этап — образование кратковременно живущей системы, позитрония, т. е. связанного состояния электрона и позитрона.
Рождение пар электрон-позитрон. Для прогресса, обратного аннигиляции (рождения фотоном электрон-позитронной пары), необходимо наличие внешнего электромагнитного поля (или второго фотона), так как, согласно законам сохранения энергии и импульса, «одинокий» фотон не может превратиться в пару частица-античастица. Обычно образование пар электрон-позитрон фотоном происходит в кулоновском поле атомного ядра (или электрона). Для осуществления такой реакции энергия фотона должна быть не меньше суммы масс покоя электрона и позитрона, т. е. 2mc2 = 1,02 Мэв. Вероятность рождения пары в кулоновском поле ядра пропорциональна квадрату заряда ядра (или атомного номера), Z2; она быстро растет с увеличением энергии гамма-кванта и при очень больших энергиях достигает некоторого предельного значения.
Образование пар электрон-позитрон играет определяющую роль в поглощении веществом гамма-квантов высокой энергии, а также, совместно с тормозным излучением, в возникновении так называемых электронно-фотонных ливней в космических лучах.
Аннигиляция и рождение пар других частиц. Если энергия фотона очень велика, то он может породить любую пару частица-античастица, например пару мюонов. Пары сильно взаимодействующих частиц, например пара протон-антипротон, образуются при соударениях очень быстрых протонов с нуклонами (т. е. протонами и нейтронами) атомных ядер.
При аннигиляции нуклонов с антинуклонами также гораздо чаще возникают не гамма-кванты, а «массивные» частицы, появление которых не запрещено законами сохранения: как правило, аннигиляция таких пар происходит с образованием четырёх-пяти пимезонов.
Процессы А. и р. п. нашли применение в научных исследованиях. Так, распределение возникающих при аннигиляции фотонов по их углам разлёта позволяет найти распределение электронов в металлах по скоростям (так как вероятность аннигиляции позитрона в веществе сильно зависит от относит. скорости позитрона н участвующего в тепловом движении электрона). Знание этого распределения необходимо, например, для расчёта удельной теплоёмкости металлов при очень низких температурах. Другой пример: по рождению электрон-позитронных пар можно получать сведения об образующихся в реакции фотонах большой энергии. Фотон, как и всякую другую незаряженную частицу, нельзя наблюдать непосредственно, так как он не оставляет видимого следа в детекторах частиц, таких, как камера Вильсона, пузырьковая камера, ядерная фотографическая эмульсия и др., и о его энергии, импульсе, а также о самом факте его образования можно узнать только по рожденной им паре (а для фотона меньшей энергии — по комптонопскому электрону отдачи, см. Комптон-эффект).
Лит.: см. при ст. Античастицы.
О. И. Завьялов.
Фотография пары электрон-позитрон, образованной в камере Вильсона гамма-квантом на ядре криптона. Камера помещена в магнитное поле, которое отклоняет отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон в противоположные стороны.