Annihilation ( latin annihilatio - "fullständig förintelse; annullering") är reaktionen av omvandlingen av en partikel och en antipartikel under deras kollision till andra partiklar som skiljer sig från de ursprungliga.
Det mest studerade är förintelsen av ett elektron-positronpar. Vid låga energier av en kolliderande elektron och positron , såväl som under förintelsen av deras bundna tillstånd - positronium - ger denna förintelsereaktion två eller tre fotoner i sluttillståndet , beroende på orienteringen av elektronens och positronens spinn . Vid energier i storleksordningen flera MeV blir multifotonförintelse av ett elektron-positronpar också möjlig. Vid energier i storleksordningen hundratals MeV producerar processen för förintelse av ett elektron-positronpar huvudsakligen hadroner .
Förintelsen av ett nukleon -antinukleonpar (till exempel en antiproton med en proton eller neutron ) har också studerats. Faktum är att under interaktionen mellan antinukleoner och nukleoner (och antihadroner med hadroner i allmänhet ), är det inte hadronerna själva som förintar, utan antikvarkar och kvarkar som är en del av hadronerna . Dessutom utplånar kvark-antikvarkparen som utgör en hadron också. Således består den neutrala pi-mesonen π 0 av en kvantmekanisk kombination av kvark-antikvarkpar u u och d d ; dess sönderfall till två fotoner beror på förintelsen av ett sådant par [1] .
Det finns inte bara elektromagnetiska förintelseprocesser (som processerna för förintelse av elektron-positron- och kvarka-antikvarkpar till fotoner som diskuterats ovan, såväl som sönderfallet av neutrala vektormesoner till leptonpar, till exempel sönderfallet av en rho-meson in i ett elektron-positronpar), men också "svag" och "stark" förintelse som uppstår på grund av svaga respektive starka interaktioner. Ett exempel på svag utplåning är tvåpartikel-leptonsönderfall av pseudoskalär [2] laddade mesoner (som K + → μ + ν μ ), på grund av förintelsen av kvarka-antikvarkparen som utgör mesonerna till en virtuell vektor boson W ± , som sedan sönderfaller till ett par laddade och neutrala leptoner (för exemplet ovan med en positiv K-meson: K + ( u s ) → W + (virt.) → μ + ν μ ). Vid höga energier observeras också processer av svag förintelse av en fermion -antifermion (det vill säga kvark-antikvark eller lepton -antilepton) par till ett verkligt W ± - eller Z 0 -boson, och det svaga annihilationstvärsnittet ökar med energin , i motsats till den elektromagnetiska och starka [ 1] .
Ett exempel på stark förintelse är några sönderfall av quarkonia , tyngre än den neutrala pionen ( J /ψ -meson , ϒ - meson , etc.). Kvarkar i dem kan förintas med deltagande av en stark växelverkan mellan två eller tre gluoner , beroende på det totala snurrandet , även om sådana processer vanligtvis undertrycks av Okubo-Zweig-Izuki-regeln [3] . Sedan förvandlas gluoner till kvark-antikvarkpar [1] .
Den förintande partikeln och antipartikeln behöver inte vara av samma typ; det dominerande sönderfallet av en laddad pi-meson π + → μ + ν μ beror på den svaga förintelsen av ett heterogent par kvarkar d u till en virtuell W + -boson, som sedan sönderfaller till ett par leptoner [1 ] . Processen för utplåning av en positiv myon med en elektron, liknande förintelsen av en positron med en elektron, beaktas. Denna process har ännu inte observerats experimentellt, eftersom lagen om bevarande av leptontalet inte tillåter myon-elektronparet (till skillnad från positron-elektronparet) att förinta elektromagnetiskt till fotoner och kräver svag förintelse i neutriner. Till exempel, i ett muonium , en kvasiatom bestående av μ + och e − , är den beräknade sannolikheten för förintelse i ett par neutriner μ + + e − → ν μ ν e endast 6,6 × 10 −12 av sannolikheten för ett normalt myonförfall [4] .
Den omvända förintelseprocessen är skapandet av partikel-antipartikelpar. Sålunda är skapandet av ett elektron-positron-par av en foton i det elektromagnetiska fältet i en atomkärna en av huvudprocesserna för interaktion mellan ett gammastrålningskvantum och materia vid energier över 1 MeV.
Annihilation är en metod för att omvandla restenergin E 0 av partiklar till reaktionsprodukternas kinetiska energi . När en av elementarpartiklarna och dess antipartikel (till exempel elektron och positron ) kolliderar, förintas de ömsesidigt, och en enorm mängd energi frigörs (enligt relativitetsteorin, E \u003d 2 E 0 \u003d 2 mc ² , där E 0 är viloenergin, m - partikelmassa , c är ljusets hastighet i vakuum).
Den relativa frigöringen av energi i olika reaktioner för en lika stor massa av ett ämne. Den frigjorda energin vid väteförbränning i syre tas som 1.
Kemisk energi : O 2 / H 2 - 1.
Klyvningsenergi för uran-235 kärnor : 5 850 000 gånger den kemiska energin.
Energin för termonukleär fusion under fusionen av protoner till en heliumkärna : 4,14 gånger mer än kärnkraft.
Energin som frigörs under förintelsen E = mc², teoretiskt begränsande för alla exoterma processer : 264 gånger mer energi som frigörs under termonukleär fusion [5] .
Enligt formeln E = 2 mc ² kan man räkna ut att när 1 kg antimateria och 1 kg materia samverkar kommer cirka 1,8⋅10 17 joule energi att frigöras, vilket motsvarar den energi som frigörs vid explosionen av 42,96 megaton trinitrotoluen . Den mest kraftfulla kärnkraftsanordningen som någonsin exploderat på planeten, tsarbomben , motsvarade 57 megaton . Ungefär 50 % av energin som frigörs under förintelsen av hadroner (reaktionen av ett nukleon-antinukleonpar) frigörs i form av neutriner , och de senare interagerar praktiskt taget inte med materia vid låga energier.
För närvarande är användningen av förintelse för energi eller militära ändamål omöjlig, eftersom det i detta skede av den tekniska utvecklingen inte är möjligt att skapa och behålla den nödvändiga mängden antimateria under tillräckligt lång tid .