Аннигиляция пары частица-античастица - один из видов взаимопревращения элементарных частиц. Термином «аннигиляция» (от лат. annihilatio, букв.— исчезновение, превращение в ничто) первоначально называли электромагнитный процесс превращения электрона и его античастицы — позитрона при их столкновении в электромагнитное излучение (в фотоны, или γ-кванты). Однако этот термин неудачен, т. к. в процессах аннигиляции строго выполняются все законы сохранения, в т. ч. материя в этом процессе не уничтожается, а лишь превращается из одной формы в другую.

Возможность аннигиляции, как и само существование античастиц, вытекала из релятивистского уравнения Дирака. В 1932 в космических лучах были обнаружены позитроны, а в 1933 — зарегистрированы случаи аннигиляции пары электрон-позитрон (е⁺ е^-).

В процессе аннигиляции е⁺ и е^- при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц (J=0) испускается вследствие закона сохранения зарядовой чётности чётное число γ-квантов (практически два), а при J=1 — нечётное (практически три; аннигиляция в один фотон запрещена законом сохранения энергии-импульса). Образование большего числа γ-квантов подавлено вследствие малости константы α (α ≈ 1/137), характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов. Если относительная скорость е⁺ и е^- невелика, аннигиляция с большой вероятностью происходит через промежуточное состояние е⁺ е^- - позитроний.

Столкновение любой частицы с её античастицей может приводить к их аннигиляции, причём не только за счёт электромагнитного взаимодействия. Так, аннигиляция пары нуклон антинуклон в π-мезоны вызывается сильным взаимодействием.

Если при низких энергиях процесс аннигиляция есть превращение пары частица-античастица в более лёгкие частицы, то при высоких энергиях лёгкие частицы могут аннигилировать с образованием более тяжёлых частиц. При этом полная энергия аннигилирующих частиц должна превышать порог рождения тяжёлых частиц, равный (в системе центра инерции) сумме их энергий покоя.

В экспериментах на установках со встречными пучками е⁺е^- высокой энергии (1 ГэВ) наблюдаются процессы аннигиляции

e⁺+e^- → μ⁺+μ^- (1)

е⁺+е^- → адроны (2).

В низшем порядке теории возмущений квантовой электродинамики процесс (1) описывается аннигиляционной диаграммой Фейнмана с виртуальным фотоном (γ*) в промежуточном состоянии (рис.1,а). Процесс (2) происходит также через виртуальный фотон (рис.1, б); по современным представлениям, в этом случае γ* переходит в пару быстрых кварка (q) и антикварка (q^-) (рис.1, в), которые впоследствии (испуская при взаимодействии с вакуумом пары кварк-антикварк) превращаются в адроны. Образующиеся адроны сохраняют направление движения первичных кварка и антикварка, и в конечном состоянии наблюдаются две адронные струи.

 

Согласно современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике, с ростом энергии частиц возрастает вероятность процесса с испусканием глюона (g; рис.1, г) высокой энергии и в конечном состоянии должны наблюдаться также трёхструнные события. Отношение (R) сечений процессов электрон-позитронной аннигиляции (2) и (1) равно сумме квадратов электрических зарядов всех образующихся при аннигиляции кварков. Когда энергия пары е⁺е^- становится больше порога образования частиц нового сорта — тяжёлых заряженных лептонов или частиц, состоящих из тяжёлых кварков с, b, значение R возрастает на величину, соответствующую вкладу новых фундаментальных частиц.

Аннигиляция электронов и позитронов может происходить и через виртуальный Z₀-бозон слабого взаимодействия. Интерференция слабого и электромагнитного взаимодействия вызывает эффекты нарушения пространств чётности в процессах аннигиляции е⁺ и е^- или пары μ⁺ μ^-. При энергии в системе центра инерции электрон-позитронной пары, равной массе (в энергетич. ед.) Z₀-бозона, аннигиляция должна происходить резонансно — с превращением в реальный Z₀-бозон.

 

 

В распадах мезонов, в состав которых входит с- или b-кварк, процессы аннигиляции за счёт слабого взаимодействия, напр. cd^- → sd^-, cs^- → v_μμ⁺, могут увеличивать вероятность распадов «очарованных» частиц и др. В экспериментах по е⁺е^--аннигиляции наблюдается резонансное образование тяжёлых нейтральных мезонов (J/ψ), Y и др., интерпретируемых как связанные состояния соотвоответственно cc^-, bb^-. В квантовой хромодинамике такие частицы описываются аналогично позитронию, поэтому, например, cc^--систему называют чармонием. Распады чармония и др. подобных систем более тяжёлых кварков должны происходить за счёт аннигиляции кварка и антикварка (в зависимости от их суммарного спина) в два или три глюона. Процессы рождения пар μ ⁺ μ^- в адронных столкновениях при высоких энергиях могут вызываться электромагнитной аннигиляцией кварка и антикварка.

По аналогии с электрон-позитронной аннигиляцией теоретически обсуждается возможный процесс аннигиляции лептонов — электронного антинейтрино и электрона (v^-_e+e^- → v^-_μ+μ^- или v^-_e+e^- → адроны), вызываемый слабым взаимодействием.

Объединенная группа европейских физиков (в составе проекта «Аквариус», The Aquarius Project) получила оценки возможной яркости гамма-излучения, возникающего при аннигиляции частиц темного вещества в нашей Галактике. Ученые предполагают, что рассеянное излучение от темного гало Галактики будет намного ярче, чем от множества отдельных сгустков темной материи.

Конечно, темная материя не светит ни в видимом, ни в каком-либо другом диапазоне спектра. Во всяком случае, этого не было до сих пор обнаружено. Природа темной материи — формы, в которой содержится основная масса вещества во Вселенной, — остается загадкой для физиков уже несколько десятков лет. Считается, что она может состоять из частиц неизвестной природы — вимпов (от англ. WIMP, Weakly Interactive Massive Particles), между которыми отсутствует электромагнитное взаимодействие: они не испускают фотоны, и мы не можем видеть эти частицы напрямую. Концепция частиц WIMP предполагает, что их можно обнаружить косвенным путем — по наблюдениям гамма-излучения, которое возникает при аннигиляции частицы и античастицы. Поскольку никто не наблюдал частиц и античастиц темной материи, то достоверно не известно, могут ли они аннигилировать, поэтому наблюдения и проводятся для проверки теорий и предположений.

Европейские ученые под руководством Фолькера Шпрингеля использовали компьютерную модель темной материи для того, чтобы представить, какие данные по распределению гамма-излучения в пространстве получат космические телескопы, в частности телескоп им. Э. Ферми, Fermi Gamma-ray Space Telescope (так с недавних пор называется телескоп GLAST, Gamma-ray Large Area Space Telescope). Компьютерная модель, которую они использовали, была создана объединением ученых «Аквариус» из Института астрофизики им. Макса Планка в Гархинге (Германия) и Института вычислительной космологии в Дареме (Великобритания). Это объединение вобрало в себя участников проектов «Virgo» и «Millenium Project», в которых также проводилось компьютерное моделирование галактик и их скоплений для космологических исследований. Результаты одного из расчетных вариантов этой модели как раз и показаны на рис. 1.