Annihilatsioon

Feynmani diagramm positroni ja elektroni annihileerumisest virtuaalseks footoniks, mis siis laguneb uuest elektroniks ja positroniks paaride tekke kaudu.

Annihilatsioon on defineeritud kui objekti "täielik hävinemine". Sõna tüvi tuleb ladina keelsest sõnast nihil (mitte midagi). Otsene tõlge oleks "mitte millekski tegemine". Osakestefüüsikas kasutatakse seda sõna protsessi jaoks, mille käigus osake põrkub oma antiosakesega. Kuna peavad kehtima energia ja impulsi jäävuse seadused, ei kao osakesed päriselt, vaid muutuvad teisteks osakesteks. Kokkupõrkel kandub osakese ja antiosakese energia üle tekkinud väljaosakesele (gluuon, W/Z boson või footon). Need osakesed omakorda muutuvad uuteks osakesteks.

Annihileerumise energia

Annihileerumisel vabanev energia on väga suur. Seda väljendab valem E=(m₁+m₂)c², kus

• E on annihileerumisel vabanev energia
• m₁ on osakese seisumass
• m₂ on antiosakese seisumass
• c on universaalne konstant – valguse kiirus vaakumis.

Tuleb silmas pidada, et lisaks annihileerumise energiale kannavad annihileerumise tulemusena tekkinud osakesed ära ka annihileerunud osakeste seisuenergiat ületanud energia. Ehk kui osake ja antiosake elementaarosakeste kiirendis omavahel kokku põrkavad, siis saavad annihileerumise tulemusena tekkivad osakesed endale ka kokku põrganud osakeste kineetilise energia.

Annihileerumise tingimused

Annihileerumine on võimalik ainult osakese ja tema antiosakese vahel.

Annihileerumise tulemusena ei saa osake ja antiosake lihtsalt "kaduda". Protsess peab rahuldama mitmeid jäävusseadusi, kaasa arvatud:

• elektrilaengu jäävus. Summaarne laeng enne ja peale reaktsioon on null;
• impulsi ja kogu energia jäävusseadus. See keelab üksiku gammakiire tekkimise, kuigi kvantväljateoorias on see protsess siiski lubatud;
• impulssmomendi jäävuse seadus.

Tulenevalt energia jäävuse seadusest peab tekkima vähemalt üks osake, mis võtab enda kanda nii annihileerunud osakestel olnud kui ka annihileerumise tulemusena tekkinud energia. Samuti ei tohi rikkuda implusi jäävuse seadust ning seega peab annihilatsiooni tulemusena eralduvaid osakesi olema vähemalt kaks või rohkem.

Kuna kõik antiosakese kvantarvud on sama suured kui osakesel, kuid vastupidise märgiga, siis annihileerumise tulemusena tekkinud osakesel peavad kõik kvantarvud olema võrdsed nulliga. Kõige levinum selline osake on footon, mis on ka enamiku annihilatsiooniprotsesside lõpptulemus. Samas, kui osakese ja antiosakese energia on piisavalt suur, siis võivad annihileerumise tulemusena tekkida ka muud osakesed, mille kõik kvantarvud on nullid. Tavaliselt on tekkinud osakesed ebastabiilsed ning lagunevad kohe peale tekkimist lihtsamateks (madalama energiaga) osakesteks.

Aine ja antiaine annihileerumine

Ulmeraamatutes tihti kirjeldatud aine ja antiaine annihileerumine taandub tegelikult aine moodustanud elementaarosakeste annihileerumisele. Aine iga aatomi elektron annihileerub positroniga, prooton antiprootoniga ja neutron antineutroniga. Tulemusena tekib suur arv kõrge energiaga footoneid. Kuigi ulmekirjanduses kirjeldatakse seda kui "eredat valgussähvatust", siis tegelikkuses on tegemist pigem tugeva gammakiirgusega.

Valguse kiirusele lähedaste kiirustega sõitva (hüpoteetilise) footonraketi edasiviiv jõud pidi tulema aine ja antiaine annihilatsiooniprotsessist. Laeva sabas pidi olema suur peegel, mis annihileerumise tulemusena tekkivad footonid tagasi peegeldab ning selle tulemusena tekkiva tõukejõu laevale üle kannab. Kuna footonid liiguvad valguse kiirusega, siis peaks olema teoreetiliselt võimalik nende abil kiirendada ka kosmoselaev valguse kiirusele lähedaste kiirusteni.

Elektron-positron annihilatsioon

Elektron-positron annihilatsioon toimub, kui elektron (e⁻) ja positron (e⁺, elektroni antiosake) kokku põrkuvad. Tulemuseks on elektroni ja positroni annihilatsioon ning gammakvandi teke. Suurematel energiatel võib gammakvandi asemel tekkida ka teisi osakesi:

e⁻ + e⁺ → γ + γ

Protsess peab rahuldama eelnevalt mainitud jäävusseadusi. Nagu ka teised laetud objektid, võivad elektron ja positron interageeruda ka ilma, et nad annihileeruks, üldiselt toimub elastne hajumine.

Madala energiaga annihiliatsioon

Lõppseisundi jaoks on väga piiratud võimalused. Kõige tõenäolisem on kahe või enam gammakvandi loomine. Energia ja impulsi jäävusseadused keelavad üldjuhul ainult ühe footoni tekkimise. Erijuhul, kui elektronid on väga tihedasti aatomi ümber pakitud, võib tekkida üks footon. Enamasti siiski kiiratakse kaks footonit, mille energia on võrdne elektroni ja positroni seisuenergiatega (511 keV). Mugav on lähtuda inertsiaalsest taustsüsteemist, kus enne annihilatsiooni on süsteemi summaarne sirgjooneline impulss null. Sellisel juhul kiirguvad gammakiired peale kokkupõrget vastassuundadesse. Samuti on küllaltki tavaline kolme gammakvandi teke, kuna teatud impulssmomentidega olekus on vaja säilitada laengu paarsust. Ka suurema arvu footonite teke on võimalik, kuid tõenäosus nende tekkeks väheneb iga lisafootoniga, kuna neil keerulistel protsessidel on madalam tõenäosusamplituud. Kuna neutriinodel on samuti väiksem mass kui elektronidel, on ka põhimõtteliselt võimalik, kuigi eriti ebatõenäoline ühe või enam neutriino-antineutriino paaride teke. Sama on tõsi ka teiste osakeste puhul, mis on kerged. Neutriinodest kergemaid fermione pole leitud.

Kõrge energiaga annihiliatsioon

Juhul kui elektronil, positronil või mõlemal on suur kineetiline energia, võivad tekkida ka teised, rasked osakesed (nagu D meson), kui on piisavalt kineetilist energiat, et muuta see raskete osakeste seisuenergiaks. On endiselt võimalik tekitada footoneid ja teisi kergeid osakesi, aga nad omandavad suured energiad. Energiate puhul, mis on lähedased või ületavad nõrga jõu kandjate W ja Z bosonite massi, muutub nõrga jõu tugevus võrreldavaks elektromagnetilise jõuga. See tähendab, et tekib rohkem neutriinosid, mis interageeruvad ainult nõrgalt. Kõige raskem osake, mis on siiani suudetud tekitada läbi elektron-positron annihilatsiooni, on W⁺-W^- paar. Kõige raskem üksik osake on Z boson. Peamine motivatsioon rahvusvahelise lineaarkiirendi (International Linear Collider) koostamiseks on leida Higgsi boson sel viisil.

Vastupidine reaktsioon

Vastupidine reaktsioon: elektron-positron paari teke kahest footonist on samuti võimalik.

Prooton-antiprooton annihilatsioon

Selline annihilatsioonivorm ilmneb, kui prootoni kvark ja antiprootoni antikvark põrkuvad. Annihilatsiooni käigus tekivad virtuaalsed gluuonid. Gluuonpilves tekib top- ja antitop-kvargi paar, mis liiguvad eri suundades ja venitavad gluuonpilve nende vahel. Kui top- ja antitop-kvargid on üksteisest kaugemale jõudnud, siis nad lagunevad bottom- ja antibottom-kvarkideks ning ilmub lisaks W bosoneid (nii W^- kui W⁺ bosoneid). W^- laguneb omakorda elektroniks ja neutriinoks ning W⁺ laguneb üles ja alla kvargipaariks. Protsessi lõpus liiguvad kõik osakesed üksteisest eemale.