Почему электрон и позитрон аннигилируют?

[Osmiy]

Почему электрон и позитрон аннигилируют? Непонятно.

Прежде чем начинать дискуссию, хотелось бы сначала удостовериться, что это уже не описано теоретиками. Лично я не встречал такой информации, но может потому что это скучно и забыто, и в популярной литературе не пишут об этом.

[amon]

Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Введение в теорию квантованных полей [4е изд., Наука, 1984] параграф 26.2 "Аннигиляция пары электрон-позитрон" (стр. 255). Просвещайтесь ;)

[Pphantom]

Тема перемещена из форума «Дискуссионные темы (Ф)» в форум «Помогите решить / разобраться (Ф)»
Причина переноса: очевидна.

Кстати, перед тем, как начинать дискуссию, стоит почитать по предполагаемой теме не только популярную литературу.

[Osmiy]

Хм, интересно-интересно. Т.е. аннигиляция электрона и позитрона это чисто КЭД?

[peripatetik]

Osmiy в сообщении #1088531 писал(а):

Хм, интересно-интересно. Т.е. аннигиляция электрона и позитрона это чисто КЭД?

Нет. В принципе, даже при малых энергиях в промежуточном состоянии могут поучаствовать любые виртуальные частицы, разрешенные по квантовым числам. А при больших энергиях они же могут и родиться.

http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/ant12.htm

[Munin]

Osmiy в сообщении #1088515 писал(а):

Почему электрон и позитрон аннигилируют? Непонятно.

Потому что это одна и та же частица. Просто движущаяся по времени в разные стороны. Одна частица (скажем, электрон) движется, как обычно в будущее, потом в какой-то момент времени разворачивается, и начинает двигаться в прошлое.

А. Н. Стругацкий, Б. Н. Стругацкий. Понедельник начинается в субботу.
Просвещайтесь ;-)

Иначе про это можно сказать так: есть два поля, электронное и позитронное. И между ними есть взаимодействие: одно колебание в одном поле, и одно колебание в другом поле, могут вместе "сократиться", исчезнуть, при условии, что возникнет какое-то третье колебание в каком-то третьем поле. Обычно - возникает электромагнитное колебание, фотон (фотоны). Здесь надо понимать, что такая аннигиляция - всего лишь частный случай реакций, а вообще их может быть много разных. Например, могут "аннигилировать" между собой электрон и электронное антинейтрино. Это частицы уже более различающиеся между собой, и результат реакции - заряженный $W^-$-бозон, но по сути, происходит то же самое.

И наконец, третий способ смотреть на это дело, самый пошлый и банальный (зато наиболее близкий твердотельщикам). Возьмём электрон, и обнаружим, что он имеет бесконечно много отрицательных уровней энергии. Считаем, что они все заполнены другими электронами, так что данный - не может провалиться вниз, из-за запрета Паули. Это называется "море Дирака". Теперь представим, что в этом море одного электрона не хватает - там есть "дырка". Эта дырка будет летать как обычная частица, только положительно заряженная - позитрон. И разумеется, свободный электрон может в эту дырку свалиться, и её заполнить. Это и будет аннигиляция.

И это типично для физики, когда вы можете представить себе что-то несколькими разными способами. Они в конечном счёте друг другу эквивалентны.

-- 06.01.2016 20:49:18 --

Osmiy в сообщении #1088531 писал(а):

Т.е. аннигиляция электрона и позитрона это чисто КЭД?

Чисто КЭД, в том смысле, что для этого не достаточно любой более простой теории.
Но можно использовать более сложные теории, как указывает peripatetik.

Но на самом деле, более сложные теории при низких энергиях дают пренебрежимо малые поправки, так что можно в эти более сложные теории не лезть.

[Osmiy]

Munin в сообщении #1088549 писал(а):

могут вместе "сократиться", исчезнуть

Munin в сообщении #1088549 писал(а):

свободный электрон может в эту дырку свалиться, и её заполнить. Это и будет аннигиляция.

Это всё есть в науч. поп.
Меня уже такое объяснение не устраивает.

Вот у меня такой вопрос возникает. Есть две частицы с лептонными числами +1 и -1 и зарядами -1 и +1. Между ними произошло взаимодействие, и родились две частицы с нулевыми леп. числами и зарядами. Не говорит ли это о том, что между ними произошло слабое (или иное подобное) взаимодействие? Электромагнитное же не может такие вещи делать (вроде как).

[peripatetik]

Ведущие собаководы уже давно не различают электромагнитное и слабое взаимодействие, объединяя их в электрослабое

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0 ... 0%B8%D0%B5

[Osmiy]

peripatetik, т.е. вы хотите сказать что аннигиляция происходит через обмен заряженного бозона (к чему я и намекаю тут)?
Это может объяснить изменение заряда. А вот как полуцелый спин превращается в целый непонятно.

[Osmiy]

А четность меняется или нет при аннигиляции?

[Munin]

Osmiy в сообщении #1088556 писал(а):

Это всё есть в науч. поп.
Меня уже такое объяснение не устраивает.

Между тем, это именно научное объяснение, то есть, просто переложение словами некоторых формул.

А что оно вас не устраивает - это странно. Почему?

Может быть, вы просто выросли из науч-попа, и вам пора читать учебники?

Советую к Б-Ш (хорошая книжка! но ещё лучше "тонкий" Б-Ш)
Фейнман. Квантовая электродинамика.
Хелзен, Мартин. Кварки и лептоны.
Окунь. Физика элементарных частиц.

Osmiy в сообщении #1088556 писал(а):

Вот у меня такой вопрос возникает. Есть две частицы с лептонными числами +1 и -1 и зарядами -1 и +1. Между ними произошло взаимодействие, и родились две частицы с нулевыми леп. числами и зарядами. Не говорит ли это о том, что между ними произошло слабое (или иное подобное) взаимодействие? Электромагнитное же не может такие вещи делать (вроде как).

Именно электромагнитное это и может.

Но надо понимать, что по сути электромагнитное, слабое, сильное и т. п. - не отличаются. Все они - просто какие-то виды стрелочек и вершин.

peripatetik в сообщении #1088562 писал(а):

Ведущие собаководы уже давно не различают электромагнитное и слабое взаимодействие, объединяя их в электрослабое :-)

Перестаньте троллить. Есть электромагнитное и слабое по отдельности, есть объединённое электрослабое. Объединение происходит на высоких энергиях.

Osmiy в сообщении #1088571 писал(а):

peripatetik, т.е. вы хотите сказать что аннигиляция происходит через обмен заряженного бозона (к чему я и намекаю тут)?
Это может объяснить изменение заряда. А вот как полуцелый спин превращается в целый непонятно.

Все взаимодействия происходят через те или иные обмены.

Даже химическая связь происходит через обмен электронами (о чём не в курсе даже многие физики, и почти все химики).

Изменение заряда происходит, когда какая-то частица заряд уносит. Потому что суммарный заряд абсолютно сохраняется.
И со спином та же история. Только надо понимать, что сохраняется проекция спина. Например, две частицы со спином ${}^1\!/_2$ могут иметь суммарную проекцию спина и $0,$ и $1,$ и в зависимости от этого, они могут превратиться либо в два, либо в три фотона (два фотона, каждый со спином $1,$ могут дать в результате суммарную проекцию $0$ или $2,$ но не могут дать $1$; три фотона могут дать суммарную проекцию $1$ или $3,$ но не могут дать $0$ или $2$; один фотон запрещён по кинематике).

-- 06.01.2016 23:00:34 --

Osmiy в сообщении #1088590 писал(а):

А четность меняется или нет при аннигиляции?

Нет.

Но надо понимать, что речь идёт, опять же, о суммарной чётности состояния.

-- 06.01.2016 23:03:14 --

Ещё хорошая лекция
Фейнман. Почему существуют античастицы?
либо в УФН, либо в книжке
Фейнман, Вайнберг. Элементарные частицы и законы физики.

[peripatetik]

Munin в сообщении #1088591 писал(а):

peripatetik в сообщении #1088562 писал(а):

Ведущие собаководы уже давно не различают электромагнитное и слабое взаимодействие, объединяя их в электрослабое

Перестаньте троллить. Есть электромагнитное и слабое по отдельности, есть объединённое электрослабое. Объединение происходит на высоких энергиях.

Позволю себе заметить, что знать границы своих знаний часто не менее важно, чем знать. Качественно, электромагнитное и слабое так же относятся к электрослабому, как электрическое и магнитное к электромагнитному.

-- 07.01.2016, 00:14 --

Osmiy в сообщении #1088571 писал(а):

peripatetik, т.е. вы хотите сказать что аннигиляция происходит через обмен заряженного бозона (к чему я и намекаю тут)?

Может происходить и через промежуточный $Z$ бозон, только он не заряженный, а нейтральный.

[Osmiy]

Munin в сообщении #1088591 писал(а):

И со спином та же история. Только надо понимать, что сохраняется проекция спина. Например, две частицы со спином ${}^1\!/_2$ могут иметь суммарную проекцию спина и $0,$ и $1,$ и в зависимости от этого, они могут превратиться либо в два, либо в три фотона (два фотона, каждый со спином $1,$ могут дать в результате суммарную проекцию $0$ или $2,$ но не могут дать $1$; три фотона могут дать суммарную проекцию $1$ или $3,$ но не могут дать $0$ или $2$; один фотон запрещён по кинематике).

Т.е. электрон и позитрон имеют антипараллельные спины и фотоны тоже антипараллельные после превращения.

Munin в сообщении #1088591 писал(а):

Osmiy в сообщении #1088590

писал(а):
А четность меняется или нет при аннигиляции?
Нет.

Но надо понимать, что речь идёт, опять же, о суммарной чётности состояния.

Вот тут не понял. Суммарная то сохраняется или нет? Не сохраняется как раз при слабом взаимодействии

[Munin]

peripatetik в сообщении #1088596 писал(а):

Позволю себе заметить, что знать границы своих знаний часто не менее важно, чем знать.

В общем да, но здесь эти границы уж очень далеко лежат от того, что спрашивает ТС. На вопрос "как пройти в библиотеку" вы отвечаете что-то типа "рано или поздно у вас закончится Евразия, и начнётся Африка".

peripatetik в сообщении #1088596 писал(а):

Качественно, электромагнитное и слабое так же относятся к электрослабому, как электрическое и магнитное к электромагнитному.

А вот это просто неверно. Там другое соотношение.

Osmiy в сообщении #1088598 писал(а):

Т.е. электрон и позитрон имеют антипараллельные спины и фотоны тоже антипараллельные после превращения.

Не совсем так.

Электрон и позитрон имеют некоторые шансы оказаться с "параллельными" и "антипараллельными" спинами. Более точно, они могут оказаться в синглетном или триплетном состоянии (то есть, с суммарным спином нуль или единица), причём если мы знаем их проекции спина, то:
- если обе частицы имеют проекции спина $+^1\!/_2,$ то суммарная проекция $+1,$ и состояние триплетное;
- если одна частица имеет проекцию спина $+^1\!/_2,$ а другая $-^1\!/_2,$ то суммарная проекция $0,$ и состояние может оказаться как синглетным, так и триплетным (зависит от фазы этих частиц);
- если обе частицы имеют проекции спина $-^1\!/_2,$ то суммарная проекция $-1,$ и состояние триплетное.
Например, ортопозитроний имеет суммарный спин $1,$ и аннигилирует на три фотона. А парапозитроний имеет суммарный спин $0,$ и аннигилирует на два фотона. Но это только самые "спокойные" варианты аннигиляции. Если электрон и позитрон столкнуть, да посильнее, то частиц из них посыплется побольше, в том числе:
- могут полететь много фотонов;
- в итоге может возникнуть виртуальный фотон, из которого потом возникнут пары других фермионов, в порядке массы: сначала мюоны, потом кварки, обрастающие другими кварками, и вылетающие в итоге в виде мезонов, барионов, адронных струй;
- может возникнуть и виртуальный $Z^0$ бозон. Всё, что он сделает нового - это аннигиляцию в пару нейтрино, а остальное будет поправками к предыдущим вариантам.
Других бозонов из электрон-позитронной пары возникнуть не может (ну, бозона Хиггса я не вспоминаю), а вот если бы мы сталкивали другие частицы, то у нас могли бы возникнуть:
- виртуальные глюоны при сталкивании кварка с антикварком (при столкновении барионов или мезонов);
- виртуальные $W^\pm$-бозоны, опять при столкновении кварков, но разных сортов; или при таком редком случае, как столкновение нейтрино с лептоном (не помню, возможно ли это в экспериментах вообще).

Фотоны, вылетающие в итоге, тоже имеют каждый своё направление спина. Для фотона спин - это ровно то же самое, что направление поляризации электромагнитной волны. Одна круговая поляризация соответствует спину, сонаправленному со скоростью, а другая - противоположно направленному. Но складывать надо не эти поляризации (спиральности), а проекции спинов на одно общее для всех фотонов направление. Потому что если фотонов больше двух, то разлетаются они в разные стороны, и проекции у них будут считаться не так очевидно.

Osmiy в сообщении #1088598 писал(а):

Вот тут не понял. Суммарная то сохраняется или нет? Не сохраняется как раз при слабом взаимодействии

Ну очевидно, при аннигиляции через электромагнитное взаимодействие - сохраняется.

[Osmiy]

Ну ладно, спасибо, через электромагнитное, так через электромагнитное.