Анігіляція і народження пар частка-античастка. У фізиці термін «анігіляція» [що буквально означає «зникнення», «знищення» (лат. annihilatio, від ad — до і nihil — ніщо)] прийнятий для найменування процесу, в якому частка і що відповідає їй античастка перетворюються на електромагнітне випромінювання — фотони або в інші частки — кванти фізичного поля іншої природи (див. Поля фізичні ). Народження пари — це зворотний процес, при якому в результаті взаємодії електромагнітних або інших полів одночасно виникають частка і античастка. Наприклад, при зіткненні електрона і його античастки — позитрона — обидва вони можуть зникнути, утворивши два фотони (гамма-кванта); зіткнення протона і антипротона може привести до їх взаїмоунічтоженію, яке супроводиться одночасним появою декількох набагато легших часток, квантів ядерного поля — пі-мезонів ; гамма-квант, якщо він володіє чималою енергією, може, взаємодіючи з електричним полем атомного ядра, породити пару електрон-позитрон (див. мал. ). Таким чином, йдеться не про знищення або мимовільне виникнення матерії, а лише про взаємоперетворення часток. Ці взаємоперетворення управляються фундаментальними законами збереження, такими, як закони збереження енергії і кількості руху (імпульсу), моменту кількості руху, електричного заряду, числа лептонів, числа баріонів і ін. (див. Збереження закони ).
Можливість А. і р. п., як і само існування античасток, був теоретично передбачений в 1930 англійським фізиком П. Дираком: вони витікали з розвиненої їм теорії електрона. У 1932 американський Фізік К. Андерсон експериментально довів існування позитронів в космічних променях . У 1933 Ірен і Фредеріка Жоліо-кюрі за допомогою Вільсона камери, поміщеною в магнітне поле, спостерігали народження позитронних для електрона пар гамма-квантами від радіоактивного джерела. У тому ж році були надійно зареєстровані випадки анігіляції пар електрон-позитрон.
Відкриття А. і р. п. представляє глибокий інтерес не лише з крапки зір фізики. Воно має важливе філософське значення. Вперше в історії природознавства було доведено, що не існує неділимих часток — останньої «цегли всесвіту», з якої формуються всі матеріальні об'єкти, як думали до 30-х рр. 20 ст Будь-яка форма матерії може перетворюватися на інші форми.
Анігіляція пари електрон-позитрон. Попавши в речовину, позитрон практично повністю втрачає швидкість із-за втрат енергії на іонізацію атомів. Тому безпосередньо перед анігіляцією позитрон можна вважати таким, що покоїться, тобто позитрон і «приречений на знищення» електрон знаходяться, швидше за все, в змозі, в якому момент кількості руху (відносного) цих часток дорівнює нулю. Подальша доля пари визначається взаємною орієнтацією внутрішніх моментів кількості руху часток — їх спинів . Якщо спини електрона і позитрона (рівні 1 / 2 ), направлені в протилежні сторони, тобто їх сумарний спин дорівнює нулю, то в результаті анігіляції може утворитися лише парне число фотонів: заборона на утворення непарного числа фотонів пов'язана з одним із законів збереження, — законом збереження так званої зарядової парності (див. Зарядове сполучення ). Проте вірогідність анігіляції з появою чотири і фотонів нікчемніше мала, і переважна більшість пар анігілюють, утворюючи два фотони. Фотони, що утворилися, летять в протилежні сторони, і кожен з них забирає половину первинної енергії системи електрон-позитрон, тобто приблизно енергію спокою електрона mс 2 = 0,51 Мев ( m — маса електрона, з — швидкість світла у вакуумі). (Згідно теорії відносності А. Ейнштейна, з масою М-коду частки, що покоїться, зв'язана енергія E 0 = Mc 2 , яка і називається енергією спокою.)
Якщо ж перед анігіляцією спини електрона і позитрона виявляються паралельними, так що їх сумарний спин дорівнює 1, то можливо лише утворення непарного числа, а практично — трьох фотонів (анігіляція вільного електрона і позитрона з випромінюванням одного фотона заборонена законом збереження імпульсу). Трьохфотонна анігіляція відбувається набагато рідше, ніж двохфотонна: в середньому лише два-три з кожної тисячі позитронів, що попали в речовину, анігілюють в три фотони.
Проте невеликій долі позитронів, «удається» анігілювати, зберігши ще досить високу швидкість. При цьому кут розльоту фотонів залежить від цієї швидкості. При великих енергіях анігілюючих позитронів виникаючі фотони випускаються переважно вперед і назад по напряму рухи позитрона. Фотон, що летить вперед, забирає майже всю енергію позитрона, на долю ж фотона, що летить назад, залишається лише енергія, рівна приблизно енергії спокою електрона mс 2 . Таким чином, при проходженні швидких позитронів через речовину утворюється пучок високоенергетичних гамма-квантів, що летять в один бік. Цим інколи користуються фізики-експериментатори для здобуття монохроматичного пучка фотонів сочень великою енергією.
В речовині позитрони «живуть» дуже недовго: у типових твердих тілах за час біля 10 -10 сік — за нікчемний із звичайної точки зору проміжок часу — процес анігіляції знищує більше двох третин всіх позитронів, що виявилися в речовині. [Позитрон — стабільна частка (він ні на що не розпадається) і у вакуумі може існувати нескінченно довго.]
Часто, особливо в газах, анігіляція йде через проміжний етап — утворення системи, що короткочасно живе, позитронію, тобто зв'язаного стану електрона і позитрона.
Народження пар електрон-позитрон. Для прогресу, зворотного анігіляції (народження фотоном позитронної для електрона пари), необхідна наявність зовнішнього електромагнітного поля (або другого фотона), оскільки, згідно із законами збереження енергії і імпульсу, «самотній» фотон не може перетворитися на пару частка-античастка. Звичайне утворення пар електрон-позитрон фотоном відбувається в кулонівському полі атомного ядра (або електрона). Для здійснення такої реакції енергія фотона має бути не менше суми мас спокою електрона і позитрона, тобто 2 mc 2 = 1,02 Мев . Вірогідність народження пари в кулонівському полі ядра пропорційна квадрату заряду ядра (або атомного номера), Z 2 ; вона швидко зростає з збільшенням енергії гамма-кванта і при дуже великих енергіях досягає деякого граничного значення.
Утворення пар електрон-позитрон грає визначальну роль в поглинанні речовиною гамма-квантів високої енергії, а також, спільно з гальмівним випромінюванням, у виникненні так званих електронно-фотонних злив в космічних променях.
Анігіляція і народження пар інших часток. Якщо енергія фотона дуже велика, то він може породити будь-яку пару частка-античастка, наприклад пару мюонів . Пари сильно взаємодіючих часток, наприклад пара протон-антипротон, утворюються при зіткненнях дуже швидких протонів з нуклонами (тобто протонами і нейтронами) атомних ядер.
При анігіляції нуклонів з антинуклонами також набагато частіше виникають не гамма-кванти, а «масивні» частки, поява яких не заборонена законами збереження: як правило, анігіляція таких пар відбувається з освітою чотирьох-п'яти пімезонов.
Процеси А. і р. п. знайшли вживання в наукових дослідженнях. Так, розподіл фотонів, що виникають при анігіляції, по їх кутах розльоту дозволяє знайти розподіл електронів в металах за швидкостями (оскільки вірогідність анігіляції позитрона в речовині сильно залежить від відносить. швидкості позитрона н електрона, що бере участь в тепловому русі). Знання цього розподілу необхідне, наприклад, для розрахунку питомої теплоємності металів при дуже низьких температурах. Інший приклад: по народженню позитронних для електрона пар можна отримувати зведення про фотони, що утворюються в реакції, великої енергії. Фотон, як і всяку іншу незаряджену частку, не можна спостерігати безпосередньо, оскільки він не залишає видимого сліду в детекторах часток таких, як камера Вільсона, бульбашкова камера,ядерна фотографічна емульсія і ін., і про його енергію, імпульс, а також про сам факт його освіти можна взнати лише по народженій їм парі (а для фотона меншої енергії — по комптонопському електрону віддачі, див.(дивися) Комптон-ефект ).
