Anihilace ( lat . annihilatio - „úplné zničení; zrušení“) je reakce přeměny částice a antičástice při jejich srážce na jakékoli jiné částice, které se liší od původních.
Nejvíce studovaná je anihilace elektron-pozitronového páru. Při nízkých energiích kolidujícího elektronu a pozitronu , jakož i při anihilaci jejich vázaného stavu - pozitronia - tato anihilační reakce dává v konečném stavu dva nebo tři fotony , v závislosti na orientaci spinů elektronu a pozitronu. Při energiích v řádu několika MeV je také možná multifotonová anihilace elektron-pozitronového páru. Při energiích řádově stovek MeV proces anihilace elektron-pozitronového páru produkuje hlavně hadrony .
Byla také studována anihilace páru nukleon -antinukleon (například antiproton s protonem nebo neutronem ). Ve skutečnosti během interakce antinukleonů s nukleony (a antihadronů s hadrony obecně ) to nejsou samotné hadrony, které anihilují, ale antikvarky a kvarky , které jsou součástí hadronů . Navíc páry kvark-antikvark, které tvoří jeden hadron, také anihilují. Neutrální pí-mezon π 0 se tedy skládá z kvantově mechanické kombinace kvark-antikvarkových párů u u a d d ; jeho rozpad na dva fotony je důsledkem anihilace takového páru [1] .
Neexistují pouze procesy elektromagnetické anihilace (jako procesy anihilace párů elektron-pozitron a kvark-antikvark na fotony diskutované výše, stejně jako rozpad neutrálních vektorových mezonů na páry leptonů, například rozpad rho-mezonu do elektron-pozitronového páru), ale také "slabá" a "silná" anihilace, ke kterým dochází v důsledku slabých a silných interakcí. Příkladem slabé anihilace jsou dvoučásticové leptonové rozpady pseudoskalárních [2] nabitých mezonů (jako K + → μ + ν μ ), v důsledku anihilace párů kvark-antikvark, které tvoří mezony, do virtuálního vektoru . boson W ± , který se následně rozpadá na pár nabitých a neutrálních leptonů (pro výše uvedený příklad s kladným K-mezonem: K + ( u s ) → W + (virt.) → μ + ν μ ). Při vysokých energiích jsou také pozorovány procesy slabé anihilace páru fermion -antifermion (tedy kvark-antikvark nebo lepton -antilepton) na skutečný W ± - nebo Z 0 -boson a slabý anihilační průřez se zvyšuje s energií. , na rozdíl od elektromagnetického a silného [1] .
Příkladem silné anihilace jsou některé rozpady quarkonia , těžší než neutrální pion ( J /ψ -mezon , ϒ - mezon , atd.). Kvarky v nich mohou anihilovat za účasti silné interakce dvou nebo tří gluonů v závislosti na celkovém spinu , i když takové procesy jsou obvykle potlačeny pravidlem Okubo-Zweig-Izuki [3] . Poté se gluony změní na páry kvark-antikvark [1] .
Anihilační částice a antičástice nemusí být stejného typu; tedy dominantní rozpad nabitého pi-mezonu π + → μ + ν μ je způsoben slabou anihilací heterogenního páru kvarků d u na virtuální W + -boson, který se pak rozpadá na pár leptonů [1 ] . Uvažuje se o procesu anihilace kladného mionu s elektronem, obdobně jako u anihilace pozitronu s elektronem. Tento proces nebyl dosud experimentálně pozorován, protože zákon zachování leptonového čísla neumožňuje páru mion-elektron (na rozdíl od páru pozitron-elektron) elektromagneticky anihilovat na fotony a vyžaduje slabou anihilaci v neutrinech. Například v muoniu , kvaziatomu sestávajícím z μ + a e − , je vypočtená pravděpodobnost anihilace na pár neutrin μ + + e − → ν μ ν e pouze 6,6 × 10 −12 pravděpodobnosti normální mionový rozpad [4] .
Opačným procesem anihilace je vytvoření párů částice-antičástice. Vytvoření elektron-pozitronového páru fotonem v elektromagnetickém poli atomového jádra je tedy jedním z hlavních procesů interakce kvanta gama záření s hmotou o energiích nad 1 MeV.
Anihilace je metoda přeměny klidové energie E 0 částic na kinetickou energii reakčních produktů. Když se jedna z elementárních částic a její antičástice (například elektron a pozitron ) srazí, vzájemně se anihilují a uvolní se obrovské množství energie (podle teorie relativity E \u003d 2 E 0 \u003d 2 mc ² , kde E 0 je klidová energie, m - hmotnost částice , c je rychlost světla ve vakuu).
Relativní uvolnění energie při různých reakcích pro stejnou hmotnost látky. Uvolněná energie spalováním vodíku v kyslíku se bere jako 1.
Chemická energie : O 2 / H 2 - 1.
Energie štěpení jader uranu-235 : 5 850 000násobek chemické energie.
Energie termojaderné fúze během fúze protonů do jádra helia : 4,14 krát více než jaderná.
Energie uvolněná během anihilace E = mc², teoreticky limitující pro jakékoli exotermické procesy : 264krát více energie uvolněné během termonukleární fúze [5] .
Podle vzorce E = 2 mc ² lze vypočítat, že při interakci 1 kg antihmoty a 1 kg hmoty se uvolní přibližně 1,8⋅10 17 joulů energie, což je ekvivalent energie uvolněné při výbuchu 42,96 megatun trinitrotoluenu . Nejvýkonnější jaderné zařízení, jaké kdy na planetě explodovalo, carská bomba , odpovídalo 57 megatunům . Přibližně 50 % energie uvolněné během anihilace hadronů (reakce páru nukleon-antinukleon) se uvolňuje ve formě neutrin , které při nízkých energiích prakticky neinteragují s hmotou.
V současné době je využití anihilace pro energetické nebo vojenské účely nemožné, neboť v této fázi technologického vývoje není možné vytvořit a udržet potřebné množství antihmoty po dostatečně dlouhou dobu .