Language
Country/Area
No result found
Таинственное столкновение частиц и античастиц: почему они исчезают, но создают новые?
В физике элементарных частиц процессы исчезновения и создания раскрывают странные свойства Вселенной. Это явление, наиболее известное как «аннигиляция», возникает, когда пара субатомных частиц сталкивается с соответствующими античастицами, создавая другие частицы. Например, когда электрон сталкивается с позитроном, могут генерироваться два фотона. При этом полная энергия и импульс исходной пары частиц сохраняются и распределяются между частицами в конечном состоянии. Аннигиляция частиц и античастиц — это не только основной принцип физики, но и важный ключ к пониманию базовой структуры Вселенной.
В процессе низкоэнергетической аннигиляции наиболее вероятным событием является генерация фотонов.
Процесс аннигиляции частиц и античастиц подчиняется нескольким основным законам сохранения в физике, включая сохранение энергии, сохранение импульса и сохранение вращения. Это означает, что даже в тех случаях, когда взаимодействуют маленькие частицы, общее количество должно быть постоянным. В то же время существование античастиц позволяет наблюдать множество явлений, наиболее интересными из которых являются события аннигиляции, которые они вызывают в коллайдерах частиц высоких энергий, производящих разнообразные тяжелые частицы.
Взаимосвязь между уничтожением и порождением
Термин «аннигиляция» часто неофициально используется учеными для описания взаимодействия между двумя частицами, которые не симметричны друг другу. В этом случае, даже если сумма некоторых квантовых чисел не равна нулю в начальном состоянии, сумма в конечном состоянии все равно будет согласованной. Например, «аннигиляция» высокоэнергетических электронных антинейтрино и электронов может привести к образованию W-фермионов, что показывает многообразие и сложность процесса аннигиляции.
В средах с высокими энергиями процесс аннигиляции может привести к образованию более тяжелых частиц, что также делает коллайдеры частиц высоких энергий важным исследовательским инструментом.
Когда исходные частицы являются элементарными частицами, их можно объединить в один элементарный бозон, например фотон, глюон или бозон Хиггса. Во время этого процесса, если полная энергия в системе центрального импульса равна массе покоя реального бозона, частица будет существовать до тех пор, пока не распадется в соответствии со своим временем жизни. В противном случае этот процесс можно рассматривать как генерацию виртуальных бозонов, которые затем преобразуются в пары реальных частиц и античастиц. Это так называемый процесс s-канала. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуется виртуальный фотон, который затем преобразуется в миньон и антитрино.
Практические примеры уничтожения
Электрон-позитронная аннигиляция
В средах с низкими энергиями аннигиляция между электронами и позитронами часто приводит к образованию двух фотонов. Учитывая, что электроны и позитроны имеют энергию покоя около 0,511 миллиона электронвольт (МэВ), эта энергия преобразуется в энергию фотонов при аннигиляции. В этом случае под ним находится сохранение импульса и энергии, создающее соответствующее обратное движение.
Если какая-либо из заряженных частиц несет большую кинетическую энергию, могут возникнуть другие частицы, что показывает гибкость процесса аннигиляции.
Протон-антипротонная аннигиляция
Реакция протона и его античастицы при их контакте не так проста, как электрон-позитронная аннигиляция. Протон — сложная частица, состоящая из трёх «валентных кварков» и множества «морских кварков». В ходе этого процесса кварк протона может аннигилировать с антикварком, образуя глюон. После этого этот глюон и оставшиеся кварки и антикварки подвергнутся сложной рекомбинации с образованием ряда мезонов (в основном пионов и каонов). Эти недавно возникшие мезоны, хотя и нестабильны, представляют общественный интерес в физике элементарных частиц.
Генерация бозона Хиггса
В высокоэнергетических средах, таких как столкновения двух нуклонов, морские кварки и глюоны доминируют в скорости взаимодействия, что позволяет произойти аннигиляции пары кварков или «слиянию» двух глюонов даже в отсутствие античастиц. Эти процессы помогли создать долгожданный бозон Хиггса. В 2012 году лаборатория ЦЕРН в Женеве (Швейцария) объявила об открытии бозона Хиггса, что ознаменовало большой прорыв в физике элементарных частиц.
Процесс аннигиляции не только играет ключевую роль в фундаментальных научных исследованиях, но и помогает ученым понять происхождение и развитие Вселенной. Даже это также поднимает бесчисленные вопросы: сколько всего такого загадочного и неуловимого в нашей Вселенной? и взаимодействия существуют?
