電子-陽電子消滅

電子陽電子消滅は、電子（e⁻）と陽電子（e⁺（電子の反粒子）が衝突します。低エネルギーでは、衝突の結果、電子と陽電子は消滅し、高エネルギー光子が生成されます。

e⁻ + e⁺ → γ + γ

高エネルギーでは、 B中間子やWボソン、Zボソンといった他の粒子が生成されることがあります。すべての過程は、以下を含むいくつかの保存則を満たさなければなりません。

電荷保存則。前後の正味電荷はゼロです。
線形運動量と全エネルギーの保存則。これは単一光子の生成を禁じます。しかし、場の量子論ではこの過程が許容されます。消滅の例を参照してください。
角運動量の保存。
総（つまり正味）レプトン数の保存則。これは、レプトン（電子など）の数から反レプトン（陽電子など）の数を引いた値です。これは（正味）物質の保存則として説明できます。

任意の 2 つの荷電物体と同様に、電子と陽電子も、通常は弾性散乱によって消滅することなく相互作用することがあります。

低エネルギーケース

最終状態の可能性は非常に限られています。最も可能性が高いのは、2つ以上のガンマ光子の生成です。エネルギー保存則と線形運動量保存則により、光子が1つしか生成されません。（この規則の例外は、強く束縛された原子電子の場合に発生することがあります。^{[ 1 ]}）最も一般的なケースでは、2つのガンマ光子が生成され、それぞれのエネルギーは電子または陽電子の静止エネルギーに等しくなります（0.511 MeV）。^{[ 2 ]}便利な基準系は、対消滅前に系が正味の線形運動量を持たないというものである。したがって、衝突後、ガンマ光子は反対方向に放出される。また、角運動量状態によっては電荷パリティを保存するために3つの光子が生成される必要があるため、生成される光子の数は3つになるのが一般的である。^{[ 3 ]}より多くの光子を生成することも可能であるが、これらの複雑なプロセスは確率振幅が小さいため、ガンマ光子が追加されるごとに確率は低くなる。

ニュートリノの質量は電子よりも小さいため、対消滅によって1つ以上のニュートリノ・反ニュートリノ対が生成される可能性はありますが、極めて低いと言えます。このような過程の確率は、光子への対消滅の10000倍程度低いとされています。電子と少なくとも1つの基本的な相互作用を持ち、保存則によって禁じられていない限り、ニュートリノと同じくらい軽い他の粒子についても同様のことが言えます。しかしながら、そのような粒子は他に知られていません。

高エネルギーケース

電子または陽電子、あるいはその両方がかなりの運動エネルギーを持つ場合、それらの相対速度に十分な運動エネルギーがあり、それらの粒子の静止エネルギーを供給することができるため、より重い粒子（D中間子やB中間子など）も生成される可能性があります。あるいは、光子やその他の軽い粒子を生成することも可能ですが、それらはより高い運動エネルギーを持って出現します。

弱い力の担い手であるWボソンとZボソンの質量に近いエネルギーやそれを超えるエネルギーでは、弱い力の強さは電磁力に匹敵するようになります。^{[ 3 ]}その結果、ニュートリノのように他の物質と弱くしか相互作用しない粒子を生成することがはるかに容易になります。

粒子加速器における電子・陽電子消滅によってこれまでに生成された最も重い粒子対はWである。⁺– W⁻対（質量80.385 GeV/c ² × 2）です。最も重い単一荷電粒子はZボソン（質量91.188 GeV/c ^{2 ）です。}国際リニアコライダー（ILC）建設の原動力は、この方法でヒッグス粒子（質量125.09 GeV/c ² ）を生成することです。

実用的な用途

電子-陽電子消滅過程は、陽電子放出断層撮影（PET）および陽電子消滅分光法（PAS）の基礎となる物理現象です。また、電子-陽電子消滅放射の角度相関と呼ばれる手法によって、金属のフェルミ面とバンド構造を測定する方法としても用いられています。さらに、原子核遷移の研究にも用いられています。陽電子消滅分光法は、金属や半導体の結晶欠陥の研究にも用いられており、空孔型欠陥を直接調べることができる唯一の方法と考えられています。^[⁴^]

逆反応

逆反応である電子-陽電子生成は、二光子物理学によって支配される対生成の一形態です。

参照

参考文献

^ Sodickson, L.; Bowman, W.; Stephenson, J.; Weinstein, R. (1961). 「陽電子の単一量子消滅」. Physical Review . 124 (6): 1851– 1861. Bibcode : 1961PhRv..124.1851S . doi : 10.1103/PhysRev.124.1851 .
^アトウッド、WB;マイケルソン、PF;リッツ、S. (2008)。「宇宙を自由に生きる」。Investigación y Ciencia (スペイン語)。377 : 24-31 .
^ ^a ^bグリフィス, DJ (1987).素粒子入門. Wiley . ISBN 0-471-60386-4。
^ Tuomisto, F.; Makkonen, I. (2013). 「陽電子消滅による半導体の欠陥同定：実験と理論」 Reviews of Modern Physics . 85 (4): 1583– 1631. Bibcode : 2013RvMP...85.1583T . doi : 10.1103/RevModPhys.85.1583 . hdl : 10138/306582 . S2CID 41119818 .

[1] Sodickson, L.; Bowman, W.; Stephenson, J.; Weinstein, R. (1961). 「陽電子の単一量子消滅」. Physical Review . 124 (6): 1851– 1861. Bibcode : 1961PhRv..124.1851S . doi : 10.1103/PhysRev.124.1851 .

[2] アトウッド、WB;マイケルソン、PF;リッツ、S. (2008)。「宇宙を自由に生きる」。Investigación y Ciencia (スペイン語)。377 : 24-31 .

[griffiths-3] グリフィス, DJ (1987).素粒子入門. Wiley . ISBN 0-471-60386-4。

[4] Tuomisto, F.; Makkonen, I. (2013). 「陽電子消滅による半導体の欠陥同定：実験と理論」 Reviews of Modern Physics . 85 (4): 1583– 1631. Bibcode : 2013RvMP...85.1583T . doi : 10.1103/RevModPhys.85.1583 . hdl : 10138/306582 . S2CID 41119818 .

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