Vernichtung - Annihilation

Ein Feynman-Diagramm, das die gegenseitige Annihilation eines Elektron- Positron- Paares im gebundenen Zustand in zwei Photonen zeigt. Dieser gebundene Zustand wird häufiger als Positronium bezeichnet .

In der Teilchenphysik ist Annihilation der Prozess, der auftritt, wenn ein subatomares Teilchen mit seinem jeweiligen Antiteilchen kollidiert , um andere Teilchen zu erzeugen, wie zum Beispiel ein Elektron , das mit einem Positron kollidiert , um zwei Photonen zu erzeugen . Die Gesamtenergie und Dynamik des ursprünglichen Paares sind in dem Prozess erhalten und unter einem Satz von anderen Teilchen im Endzustand verteilt. Antiteilchen haben genau entgegengesetzte additive Quantenzahlen von Teilchen, daher sind die Summen aller Quantenzahlen eines solchen ursprünglichen Paares Null. Daher kann jede Menge von Teilchen erzeugt werden, deren Gesamtquantenzahlen ebenfalls Null sind, solange die Energieerhaltung und die Impulserhaltung befolgt werden.

Bei einer niederenergetischen Annihilation wird die Photonenproduktion begünstigt, da diese Teilchen keine Masse haben. Hochenergetische Teilchenbeschleuniger erzeugen Vernichtungen, bei denen eine Vielzahl exotischer schwerer Teilchen erzeugt wird.

Das Wort "Annihilation" wird informell für die Wechselwirkung zweier Teilchen verwendet, die keine gegenseitigen Antiteilchen sind – nicht ladungskonjugiert . Einige Quantenzahlen summieren sich dann im Anfangszustand möglicherweise nicht zu Null, sondern bleiben im Endzustand mit den gleichen Summen erhalten. Ein Beispiel ist die "Annihilation" eines hochenergetischen Elektron-Antineutrinos mit einem Elektron zur Erzeugung von a
W
.

Wenn die vernichtend Partikel Verbund wie -Mesonen oder Baryonen , dann mehrere verschiedene Teilchen werden typischerweise im Endzustand hergestellt.

Produktion eines einzelnen Bosons

Wenn die ersten beiden Teilchen sind Elementarteilchen (nicht zusammengesetzt), dann können sie nur einen einzigen Grund produzieren kombinieren Boson , wie ein Photon (
γ
), Gluon (
g
),
Z
, oder ein Higgs-Boson (
h0
). Wenn die Gesamtenergie im Impulszentrum gleich der Ruhemasse eines realen Bosons ist (was bei einem masselosen Boson wie dem
γ
), dann existiert dieses erzeugte Teilchen weiter, bis es entsprechend seiner Lebensdauer zerfällt . Andernfalls wird der Prozess als die anfängliche Erzeugung eines virtuellen Bosons verstanden , das sich sofort in ein reales Teilchen + Antiteilchen-Paar umwandelt. Dies wird als S-Kanal- Prozess bezeichnet. Ein Beispiel ist die Vernichtung eines Elektrons mit einem Positron, um ein virtuelles Photon zu erzeugen, das sich in ein Myon und Anti-Myon umwandelt . Wenn die Energie groß genug ist, a
Z
könnte das Photon ersetzen.

Beispiele

Elektron-Positron-Vernichtung


e
 + 
e+
 → 
γ
 + 
γ
Elektronen-/Positronen-Annihilation bei verschiedenen Energien

Wenn ein niederenergetisches Elektron ein niederenergetisches Positron (Antielektron) vernichtet, ist die wahrscheinlichste Erzeugung von zwei oder mehr Photonen , da die einzigen anderen Endzustands-Standardmodell-Teilchen, die Elektronen und Positronen genug Energie zur Erzeugung tragen, sind Neutrinos , die ungefähr 10.000 Mal weniger wahrscheinlich produzieren, und die Erzeugung nur eines Photons ist durch die Impulserhaltung verboten – ein einzelnes Photon würde in jedem Rahmen einen Impuls ungleich null tragen , einschließlich des Mittelpunktsrahmens, in dem der Gesamtimpuls verschwindet. Sowohl das vernichtende Elektron als auch das Positronenteilchen haben eine Ruheenergie von etwa 0,511 Millionen Elektronenvolt (MeV). Wenn ihre kinetischen Energien relativ vernachlässigbar sind, erscheint diese Gesamtruheenergie als Photonenenergie der erzeugten Photonen. Jedes der Photonen hat dann eine Energie von etwa 0,511 MeV. Impuls und Energie bleiben beide erhalten, wobei sich 1,022 MeV Photonenenergie (die die Ruheenergie der Teilchen ausmachen) in entgegengesetzte Richtungen bewegen (was den gesamten Nullimpuls des Systems ausmacht).

Wenn ein oder beide geladenen Teilchen eine größere kinetische Energie tragen, können verschiedene andere Teilchen erzeugt werden. Darüber hinaus kann die Vernichtung (oder der Zerfall) eines Elektron-Positron-Paares in ein einzelnes Photon in Gegenwart eines dritten geladenen Teilchens erfolgen, auf das der überschüssige Impuls durch ein virtuelles Photon vom Elektron oder Positron übertragen werden kann. Auch im elektromagnetischen Feld eines dritten Teilchens ist der umgekehrte Vorgang möglich, die Paarbildung durch ein einzelnes reelles Photon.

Proton-Antiproton-Vernichtung

Wenn ein Proton auf sein Antiteilchen trifft (und allgemeiner, wenn eine Baryonenart auf das entsprechende Antibaryon trifft ), ist die Reaktion nicht so einfach wie die Elektron-Positron-Vernichtung. Im Gegensatz zu einem Elektron ist ein Proton ein zusammengesetztes Teilchen, das aus drei „Valenzquarks“ und einer unbestimmten Anzahl von durch Gluonen gebundenen „Seequarks“ besteht . Wenn also ein Proton auf ein Antiproton trifft, kann eines seiner Quarks, normalerweise ein konstituierendes Valenzquark, mit einem Antiquark (das seltener ein Seequark sein könnte) vernichten , um ein Gluon zu erzeugen, wonach das Gluon zusammen mit den restlichen Quarks, Antiquarks und Gluonen durchlaufen einen komplexen Prozess der Umlagerung (sogenannte Hadronisierung oder Fragmentierung ) in eine Reihe von Mesonen (meist Pionen und Kaonen ), die sich die gesamte Energie und den Impuls teilen. Die neu geschaffenen Mesonen sind instabil, und wenn sie nicht auf ein anderes Material treffen und mit diesem interagieren, zerfallen sie in einer Reihe von Reaktionen, die letztendlich nur Photonen , Elektronen , Positronen und Neutrinos produzieren . Diese Art von Reaktion findet zwischen jedem Baryon (Teilchen bestehend aus drei Quarks) und jedem Antibaryon bestehend aus drei Antiquarks statt, von denen eines einem Quark im Baryon entspricht. (Diese Reaktion ist unwahrscheinlich, wenn mindestens eines der Baryonen und Antibaryonen so exotisch ist, dass sie keine Quark-Aromen teilen.) Antiprotonen können mit Neutronen vernichten , und ebenso können Antineutronen mit Protonen vernichten, wie unten diskutiert.

Reaktionen, bei denen Proton-Antiproton-Annihilation bis zu 9 Mesonen produziert, wurden beobachtet, während die Produktion von 13 Mesonen theoretisch möglich ist. Die erzeugten Mesonen verlassen den Ort der Annihilation mit moderaten Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit und zerfallen mit der für ihren Mesonentyp angemessenen Lebensdauer.

Ähnliche Reaktionen treten auf, wenn ein Antinukleon in einem komplexeren Atomkern vernichtet , außer dass die resultierenden Mesonen, die stark wechselwirken , eine signifikante Wahrscheinlichkeit haben, von einem der verbleibenden "Zuschauer"-Nukleonen absorbiert zu werden, anstatt zu entkommen. Da die absorbierte Energie bis zu ~2  GeV betragen kann , kann sie im Prinzip die Bindungsenergie selbst der schwersten Kerne übersteigen . Wenn also ein Antiproton in einem schweren Kern wie Uran oder Plutonium vernichtet, kann es zu einer teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Kerns kommen, wodurch eine große Anzahl schneller Neutronen freigesetzt wird. Solche Reaktionen eröffnen die Möglichkeit, eine signifikante Anzahl sekundärer Spaltreaktionen in einer unterkritischen Masse auszulösen und können möglicherweise für den Antrieb von Raumfahrzeugen nützlich sein .

Higgs-Produktion

Bei Kollisionen zweier Nukleonen bei sehr hohen Energien neigen Seequarks und Gluonen dazu, die Wechselwirkungsrate zu dominieren, sodass kein Nukleon ein Antiteilchen sein muss, damit die Vernichtung eines Quarkpaares oder die "Fusion" zweier Gluonen stattfindet. Beispiele solcher Prozesse tragen zur Herstellung des lang gesuchten Higgs-Bosons bei . Das Higgs wird direkt sehr schwach durch Vernichtung von leichten (Valenz-)Quarks erzeugt, aber schwer
T
oder
B
Meer- oder hergestellte Quarks zur Verfügung. 2012 gab das CERN- Labor in Genf die Entdeckung des Higgs in den Trümmern von Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider (LHC) bekannt. Die stärkste Higgs-Ausbeute ergibt sich aus der Fusion zweier Gluonen (über die Vernichtung eines schweren Quarkpaares), während zwei Quarks oder Antiquarks leichter zu identifizierende Ereignisse durch Strahlung eines Higgs durch ein erzeugtes virtuelles Vektorboson oder die Vernichtung zweier solcher Vektorbosonen erzeugen .

Siehe auch

Verweise

Notationen

  • Kragh, H. (1999). Quantengenerationen: Eine Geschichte der Physik im 20. Jahrhundert . Princeton University Press . ISBN 0-691-01206-7.

Fußnoten

Externe Links