Как существует позитроний?

Как вы заметили, не всегда верно, что частица и ее античастица аннигилируют друг друга, когда сблизятся. На самом деле взаимодействие между частицами не обязательно произойдет. Квантовая механика (и, на более высоком уровне, квантовая теория поля) говорит вам, что все эти взаимодействия происходят с определенной вероятностью. Так, например, когда частица и ее античастица оказываются в непосредственной близости друг от друга, существует только вероятность того, что они будут взаимодействовать в течение любого заданного промежутка времени.

Однако чем дольше частицы остаются вместе, тем больше вероятность того, что они будут взаимодействовать и аннигилировать друг друга. Это отвечает за время жизни позитрония 142 нс, как сообщается в статье в Википедии: вероятность аннигиляции увеличивается со временем таким образом, что среднее время жизни «атома» позитрония составляет 142 нс.

Как сказал Седрик, пока позитрон и электрон не аннигилируют друг друга (и помните, что вероятность того, что это произойдет в любой момент времени, ограничена), они могут взаимодействовать почти так же, как и любые другие заряженные частицы. например протон и электрон. Быть связанными электромагнитным взаимодействием, как в атоме водорода или «атоме» позитрония, — это только один пример.

Просто добавить. Мало того, что позитроний существует, он также может взаимодействовать с материей и позволяет заниматься интересной физикой. Например, в недавней статье S. Mariazzi, P. Bettotti, RS Brusa, Охлаждение позитрония и эмиссия в вакууме из наноканалов при криогенной температуре , Phys. Преподобный Летт. 104, 243401 (2010) позитроний, созданный осаждением позитронов на наноструктурированную поверхность, охлаждался при столкновении со стенками наноканалов и термализовался(!) при температуре около 150К. Вот цитата из реферата этой статьи:

Высокий выход образования и значительная охлажденная доля позитрония ниже комнатной температуры были получены путем имплантации позитронов в кремниевую мишень, в которой были созданы хорошо контролируемые окисленные наноканалы (диаметром 5–8 нм), перпендикулярные поверхности. Мы показываем, что при имплантации позитронов с энергией 7 кэВ в мишень, выдержанную при 150 К, около 27% позитронов образуют позитроний, который уходит в вакуум. Около 9% вылетевшего позитрония охлаждается при столкновении со стенками наноканалов и излучается максвелловским пучком при 150 К.

Именно потому, что они противоположно заряжены, они могут образовывать связанное состояние: даже в классическом понимании это можно понять: противоположно заряженные заряды притягиваются друг к другу.

Хотя верно, что частица и ее античастица могут аннигилировать друг друга, сначала они должны взаимодействовать.

Позитроний представляет собой чисто электромагнитное связанное состояние: позитрон и электрон образуют связанное состояние за счет электромагнитного взаимодействия (сильного взаимодействия нет, поскольку они являются лептонами, а слабое взаимодействие не играет роли в формировании связанного состояния).

У них одинаковая масса, но это не проблема.

В квантовой механике эта проблема решается точно так же, как пример из учебника с атомом водорода. Сначала вы отделяете центр масс от задачи, но здесь, поскольку они имеют одинаковую массу, этим нельзя пренебрегать в конечном результате.

Потом вычисляешь взаимодействие одной частицы с центром масс (в случае атома H это однозначно взаимодействие электрона с протоном, а здесь это один из двух лептонов с центром масс который в середине).

Я также должен отметить, что даже если связанное состояние с этой точки зрения стабильно, позитроний в конце концов аннигилирует, потому что две волновые функции будут перекрываться, и, таким образом, эти две античастицы могут взаимодействовать и аннигилировать.

Позитроний может образовываться различными способами, например, когда вы можете создать позитроний в своей ванной комнате, это иметь элемент, который$\beta^+$нестабильный. После этого распада испускается позитрон. Затем он может взаимодействовать с очень большим количеством электронов, присутствующих в веществе, и они могут образовать связанное состояние: позитроний.

Для немного другого толкования более или менее того же самого, что уже было сказано: идея о том, что электрон, приближающийся к позитрону, неизбежно аннигилирует с ним, исходит из того же заблуждения, которое заставляет людей думать, что объекты, приближающиеся к позитрону, неизбежно аннигилируют с ним. близкая к черной дыре неизбежно упадет. Ни одна из них не является неизбежной, потому что эффект обеих сил заключается в том, чтобы просто притягивать объекты друг к другу, что может привести или не привести к столкновению, которое их поглотит, в зависимости от деталей движение частиц до того, как они начнут взаимодействовать.

Вы могли бы заявить, что позитрон и электрон, которые изначально находятся в состоянии полного покоя, аннигилируют, так и не образовав связанного состояния, но это совершенно нереалистичная ситуация по целому ряду причин, включая принцип неопределенности. Однако если они стартуют далеко друг от друга с некоторой начальной скоростью, их судьба будет зависеть от точного расположения начальных условий. Для формирования стабильного связанного состояния, скорее всего, также требуется третья частица для сохранения энергии и импульса.

В зависимости от относительной спиновой ориентации электрона и позитрона позитроний может иметь два спиновых состояния: если электрон и позитрон имеют антипараллельные спины (+1/2 и -1/2), позитроний будет спин-синглетным. состояние с собственным временем жизни 0,125 нс и распадается путем двухфотонной аннигиляции. С другой стороны, если электрон и позитрон имеют параллельные спины, позитроний будет иметь спин-триплетное состояние с собственным временем жизни 142 нс и аннигилирует в трехфотонном режиме в вакууме. Однако в присутствии материала позитроний имеет конечную вероятность обменять свой электрон на противоположный по спину электрон из окружения, в результате чего триплет-позитроний может распасться в синглетном (двухфотонном) режиме быстрее, чем за 142 нс. . Этот способ аннигиляции называется пиковым распадом.