Εξαΰλωση

Ένα διάγραμμα Feynman εξαΰλωσης ποζιτρονίου - ηλεκτρονίου σε φωτόνιο που (επαν)υλοποιείται ξανά σε ποζιτρόνιο και ηλεκτρόνιο.

Ένα παράδειγμα απεικόνισης ζεύγους πιονίων που αντιπροσωπεύει τη διαδικασία μίγματος καόν με αντικαόν. Αυτό είναι ένα παράδειγμα εναρμόνισης με την Κβαντική Θεωρία Πεδίου, που είναι απαραίτητα λόγω μεταβολής του αριθμού σωματιδίων από 1 σε 2 και ξανά σε 1

Εξαΰλωση ετυμολογικά σημαίνει απλά η εξαφάνιση υλικού σώματος (ύλη → τίποτε), το αντίθετο της υλοποίησης (= τίποτε → ύλη).

Στη φυσική, η λέξη (ως ορολογία) χρησιμοποιείται για να ονομάσει το φαινόμενο της σύγκρουσης ενός υποατομικού σωματιδίου ύλης μάζας m και ενός αντίστοιχου αντιύλης (επίσης μάζας m). Αφού η ενέργεια και η ορμή πρέπει να διατηρηθούν, τα σωματίδια στην πραγματικότητα δεν μπορούν να μετατραπούν στο τίποτε, αλλά να σχηματίσουν νέα σωματίδια. Τα αντισωματίδια (δηλαδή σωματίδια αντιύλης) έχουν ακριβώς τους αντίθετους κβαντικούς αριθμούς από τα (αντίστοιχά τους) σωματίδια (ύλης). Άρα το άθροισμα των αντίστοιχων κβαντικών αριθμών ενός ζεύγους (σωματιδίου - αντίστοιχου αντισωματιδίου) είναι μηδέν (0). Όμως, κάθε σύνολο σωματιδίων μπορεί επίσης να δώσει συνολικό άθροισμα των κβαντικών αριθμών μηδέν (0), εφόσον ισχύουν (οι αρχές) διατήρησης της ενέργειας και της ορμής.

Στην πράξη, κατά τη διάρκεια χαμηλής ενέργειας εξαΰλωσης παρατηρείται η αναμενόμενη από τη θεωρία έκλυση φωτονίων μόνο, αλλά κατά τη διάρκεια υψηλής ενέργειας εξαΰλωσης παρατηρείται επιπλέον η παραγωγή μιας μεγάλης ποικιλίας «εξωτικών» (δηλαδή εντελώς ασυνήθιστων) βαρέων σωματιδίων.

Εξαΰλωση ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου

Φυσική συνέπεια της β+ ραδιενεργούς διάσπασης είναι η εξαΰλωση ηλεκτρονίόυ - ποζιτρονίου.

Η εξαΰλωση ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρόνιο (e^-) και ένα ποζιτρόνιο (e⁺, δηλαδή αντίστοιχο αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου) συγκρούονται. Το αποτέλεσμα της σύγκρουσης είναι (συνήθως) η μετατροπή των δυο σωματιδίων σε φωτόνια ακτινοβολίας γ ή (σπανιότερα) σε άλλα σωματίδια. Το φαινόμενο υπακούει σε μια σειρά από φυσικών νόμων, που περιλαμβάνουν τις ακόλουθες «αρχές διατήρησης»:

1. Αρχή διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου: Το αλγεβρικό άθροισμα των ηλεκτρικών φορτίων πριν και μετά το φαινόμενο πρέπει να είναι το ίδιο, δηλαδή μηδέν (0).
2. Αρχή διατήρησης της γραμμικής ορμής: Αυτή η αρχή απαγορεύει η δημιουργία ενός (μόνο) φωτονίου ακτινοβολίας γ. Ωστόσο, η Θεωρία Κβαντικού Πεδίου το επιτρέπει.
3. Αρχή διατήρησης της γωνιακής ορμής.

• Ωστόσο, όταν συγκρούονται τα δυο ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια μπορεί και να μη συμβεί το φαινόμενο της εξαΰλωσης, αλλά το φαινόμενο της (απλής) ελαστικής κρούσης.

Εξαΰλωση χαμηλής ενέργειας

Στην περίπτωση που τα δυο σωματίδια (ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο) εξαϋλώνονται με (σχετικά) χαμηλό άθροισμα κινητικών ενεργειών, είναι πολύ περιορισμένο το σύνολο των πιθανοτήτων της τελικής κατάστασης (μετά τη σύγκρουση). Το πιο πιθανό ενδεχόμενο είναι η δημιουργία δύο (2) ή περισσοτέρων φωτονίων ακτινοβολίας γ. Η διατήρηση της ενέργειας και της γραμμικής ορμής απαγορεύει την παραγωγή μόνο ενός φωτονίου (μια εξαίρεση σ' αυτόν τον κανόνα μπορεί να συμβεί για ισχυρά δεσμευμένα ατομικά ηλεκτρόνια). Στην περισσότερο συνηθισμένη περίπτωση, δημιουργούνται δύο (2) φωτόνια, που το καθένα διαθέτει ενέργεια ίση με την ενέργεια στην οποία αντιστοιχεί η μάζα ενός ηλεκτρονίου ή ποζιτρονίου (δηλαδή 511 keV. Επειδή το σύστημα είχε πριν τη σύγκρουση (αλγεβρικά) γραμμική ορμή μηδέν (0), τα δυο ισοδύναμα φωτόνια ακτινοβολίας γ εκπέμπονται προς δύο (2) αντίθετες κατευθύνσεις. Επίσης, αρκετά συνηθισμένη είναι η περίπτωση της παραγωγής τριών (3) φωτονίων ακτινοβολίας γ, για τον υπολογισμό της κατεύθυνσης εκπομπής των οποίων πρέπει να ληφθεί υπόψη και η αρχή διατήρησης της γωνιακής ορμής. Ακόμη, είναι δυνατή η παραγωγή ακόμη μεγαλύτερου (>3) φωτονίων ακτινοβολίας γ, αλλά με την πρόβλεψη παραγωγής κάθε επιπλέον φωτονίου μειώνεται η πιθανότητα του ενδεχομένου, επειδή οι πιο πολύπλοκες διεργασίες που απαιτούν έχουν μικρότερα κβαντομηχανικά πλάτη (ταλάντωσης υλοκυμάτων). Το ίδιο θα πρέπει να ισχύει και για άλλα σωματίδια με αντίστοιχα μικρή μάζα, αρκεί να μοιράζονται μια τουλάχιστον θεμελιώδη αλληλεπίδραση με τα ηλεκτρόνια και να μην παραβιάζουν τις παραπάνω αρχές διατήρησης. Ωστόσο, κανένα άλλο τέτοιο σωματίδιο δεν είναι ακόμη γνωστό ότι υπάρχει.

Εξαΰλωση υψηλής ενέργειας

Αν το ηλεκτρόνιο ή και το ποζιτρόνιο έχουν (σχετικά) πλεονάζουσες κινητικές ενέργειες (πριν τη σύγκρουση εξαΰλωσης), υπάρχει δυνατότητα επίσης να παραχθούν και άλλα βαρύτερα σωματίδια (όπως π.χ. D μεσόνια), εφόσον υπάρχει επαρκές άθροισμα κινητικών ενεργειών (λόγω αντίστοιχα μεγάλων σχετικών ταχυτήτων) γι' αυτό. Είναι επίσης πιθανό (όμως) να παραχθούν φωτόνια και κάποια άλλα ελαφρά σωματίδια, αλλά σ' αυτήν την περίπτωση θα έχουν αντίστοιχα υψηλές ενέργειες.

Σε ενέργειες κοντά ή πάνω από (την ισοδύναμη με τη) μάζα των φορέων της ασθενούς δύναμης, των W και Z μποζονίων, το μέτρο της ασθενούς δύναμης γίνεται συγκρίσιμο με αυτό της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Αυτό σημαίνει ότι γίνεται ευκολότερο έτσι να παραχθούν σωματίδια όπως τα νετρίνα που σλληλοεπιδρούν αδύναμα (με τα άλλα).

Τα βαρύτερα σωματιδιακά ζεύγη που έχουν παραχθεί (για την ώρα) από εξαΰλωση ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου σε επιταχυντές σωματιδίων είναι τα ζεύγη μποζονίων W+/W-. Το βαρύτερο μονό (δηλαδή όχι σε ζεύγος), που έχει παραχθεί (για την ώρα) από εξαΰλωση ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου σε επιταχυντές σωματιδίων είναι το Z μποζόνιο. Το κύριο κίνητρο για την κατασκευή του Διεθνούς Γραμμικού Επιταχυντή είναι η (απόπειρα) παραγωγής μποζονίων Higgs με την εξαΰλωση ζεύγους ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου σε αυτόν.

Πρακτικές χρήσεις

Το φαινόμενο της εξαΰλωσης ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου αποτελεί τη βάση της εικόνας PET και της ποζιτρονικής φασματοσκοπίας εξαΰλωσης. Επίσης χρησιμοποιήθηκε στη μέτρηση της επιφάνειας Fermi και της δομής Band σε μέταλλα.