Anéantissement électron-positon - Electron–positron annihilation
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L'annihilation électron-positon se produit lorsqu'un électron (
e−
) et un positron (
e+
, l' antiparticule de l'électron ) entrent en collision. Aux basses énergies, le résultat de la collision est l' annihilation de l'électron et du positon, et la création de photons énergétiques :
-
e−
+
e+
→
??
+
??
Aux hautes énergies, d'autres particules, telles que les mésons B ou les bosons W et Z , peuvent être créées. Tous les procédés doivent satisfaire à un certain nombre de lois de conservation , notamment :
- Conservation de la charge électrique . La charge nette avant et après est nulle.
- Conservation de la quantité de mouvement linéaire et de l' énergie totale . Cela interdit la création d'un seul photon. Cependant, en théorie quantique des champs, ce processus est autorisé ; voir des exemples d'anéantissement .
- Conservation du moment cinétique .
- Conservation du total (c. -à- net) lepton nombre , qui correspond au nombre de leptons (tels que l'électron) moins le nombre de antileptons (tels que le positron); cela peut être décrit comme une conservation de la loi de la matière (nette) .
Comme pour deux objets chargés, les électrons et les positons peuvent également interagir les uns avec les autres sans s'annihiler, en général par diffusion élastique .
Boîtier basse énergie
Il n'y a qu'un ensemble très limité de possibilités pour l'état final. Le plus probable est la création de deux photons ou plus. La conservation de l'énergie et la quantité de mouvement linéaire interdisent la création d'un seul photon. (Une exception à cette règle peut se produire pour les électrons atomiques étroitement liés.) Dans le cas le plus courant, deux photons sont créés, chacun avec une énergie égale à l' énergie au repos de l'électron ou du positron (0,511 MeV ). Un cadre de référence pratique est celui dans lequel le système n'a pas de moment linéaire net avant l'annihilation ; ainsi, après collision, les photons sont émis dans des directions opposées. Il est également courant que trois soient créés, car dans certains états de moment angulaire, cela est nécessaire pour conserver la parité de charge . Il est également possible de créer un plus grand nombre de photons, mais la probabilité devient plus faible à chaque photon supplémentaire car ces processus plus complexes ont des amplitudes de probabilité plus faibles .
Étant donné que les neutrinos ont également une masse inférieure à celle des électrons, il est également possible – mais extrêmement improbable – que l'annihilation produise une ou plusieurs paires neutrino- antineutrino . La probabilité d'un tel processus est de l'ordre de 10 000 fois moins probable que l'annihilation en photons. Il en serait de même pour toutes les autres particules, aussi légères, tant qu'elles partagent au moins une interaction fondamentale avec les électrons et qu'aucune loi de conservation ne l'interdit. Cependant, aucune autre particule de ce type n'est connue.
Boîtier haute énergie
Si l'électron ou le positon, ou les deux, ont des énergies cinétiques appréciables , d'autres particules plus lourdes peuvent également être produites (comme les mésons D ou les mésons B ), car il y a suffisamment d'énergie cinétique dans les vitesses relatives pour fournir les énergies de repos de ces particules . Alternativement, il est possible de produire des photons et d'autres particules lumineuses, mais ils émergeront avec des énergies cinétiques plus élevées.
Aux énergies proches et au-delà de la masse des porteurs de la force faible , les bosons W et Z , la force de la force faible devient comparable à la force électromagnétique . En conséquence, il devient beaucoup plus facile de produire des particules telles que des neutrinos qui n'interagissent que faiblement avec d'autres matières.
Les paires de particules les plus lourdes encore produites par l'annihilation électron-positon dans les accélérateurs de particules sont
W+
–
W−
paires (masse 80,385 GeV/c 2 × 2). La particule à charge unique la plus lourde est le boson Z (masse 91,188 GeV/c 2 ). La motivation principale de la construction du collisionneur linéaire international est de produire les bosons de Higgs (masse 125,09 GeV/c 2 ) de cette manière.
Utilisations pratiques
Le processus d'annihilation électron-positon est le phénomène physique sur lequel repose la tomographie par émission de positons (TEP) et la spectroscopie d'annihilation de positons (PAS). Il est également utilisé comme méthode de mesure de la surface de Fermi et de la structure de bande dans les métaux par une technique appelée Corrélation angulaire du rayonnement d'annihilation électron-positon . Il est également utilisé pour la transition nucléaire. La spectroscopie d'annihilation de positons est également utilisée pour l'étude des défauts cristallographiques dans les métaux et les semi-conducteurs ; il est considéré comme la seule sonde directe pour les défauts de type lacune.
Réaction inverse
La réaction inverse, la création électron-positon, est une forme de production de paires régie par la physique à deux photons .