电子对湮灭

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自然发生的电子-正子对湮没
电子-正子对湮没的费曼图

电子对湮灭是指电子e
正子e+
(电子的反粒子)碰撞后湮灭,产生伽马射线或是其他更高能量粒子的过程:

e
 + e+
 → γ + γ

此过程满足以下的守恒定律

和其他有带电的粒子一样,电子和正子也可以彼此影响(例如弹性散射英语elastic scattering)而不湮灭。

低能量的情形[编辑]

最终状态只有几种可能,机率最大的是产生二个或多个伽马射线的光子,由于动量守恒及能量守恒的限制,不允许产生单一光子。(不过若电子是紧密被原子束缚,就有可能只产生单一光子[1]。)最常见的是产生二个光子,每个光子的能量都等于电子或是正子的不变质量511 keV[2]。一般会选用动量中心系参考系,使得湮灭前的总动量为零,因此湮灭后的伽马射线会往相反方向发射。有时也会产生三个光子,因为在某些角动量的状态下,需要维持电荷宇称的守恒[3]。以机率上来看有可能产生任意数量的光子,但每多产生一个光子,其机率都再低一些,因为其过程更加复杂,机率幅也越低。

由于中微子的质量较电子小,因此有可能在湮灭后产生中微子-反中微子对,但其可能性极低。只要某个粒子和电子一起参与某种基本相互作用,又没有受到守恒定律的限制,都可能在电子对湮灭后产生此粒子,只是尚未找到其他的粒子有这样的特性。

高能量的情形[编辑]

若电子或正子有相当的动能,会可能产生其他较重的的粒子(像D介子),也有可能会产生光子及其他较轻的粒子,不过要更高的能量下才会发生。

若能量接近甚至超过弱相互作用介子(W及Z玻色子)的质量,弱相互作用力的强度接近电磁力的强度[3],因此比较容易产生像中微子等只参与弱交互作用的粒子。

利用粒子加速器进行电子对湮灭,所产生的最重粒子对是W+
W
粒子对,所产生的单一粒子是Z玻色子。建造国际直线对撞机英语International Linear Collider的目的也是想用此方式产生希格斯玻色子

用途[编辑]

电子对湮灭是正电子发射计算机断层扫描(PET)及正子湮灭能谱学英语positron annihilation spectroscopy(PAS)的物理基础。电子对湮灭也可以用来量测金属费米面能带结构

逆过程[编辑]

电子对湮灭的逆过程是电子-正电子产生,是一种成对产生,由双光子物理学的一部分。

相关条目[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ L. Sodickson, W. Bowman, J. Stephenson, R. Weinstein. Single-Quantum Annihilation of Positrons. Physical Review. 1970, 124: 1851. Bibcode:1961PhRv..124.1851S. doi:10.1103/PhysRev.124.1851. 
  2. ^ W.B. Atwood, P.F. Michelson, S.Ritz. Una Ventana Abierta a los Confines del Universo. Investigación y Ciencia. 2008, 377: 24–31.  (西班牙文)
  3. ^ 3.0 3.1 D.J. Griffiths. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4.