Почему электрон-позитронная аннигиляция предпочитает испускать фотоны?

Это возможно, просто очень маловероятно. Вы можете получить представление о соответствующих вероятностях, взглянув на диаграммы Фейнмана для различных видов событий.$e^+e^-$уничтожение. Вот$e^+e^-\to\gamma\gamma$:

Вероятность этого (фактически сечения) пропорциональна коэффициенту$g_\text{EM}$для каждой вершины.$g_\text{EM}$представляет собой электромагнитную связь, которая имеет значение около 0,3. Таким образом, вероятность всего процесса можно представить как пропорциональную$\alpha_\text{EM} = \frac{g_\text{EM}^2}{4\pi} \approx \frac{1}{137}$.

С другой стороны, для производства нейтрино простейшая диаграмма Фейнмана такова:

Вероятность этого пропорциональна двум факторам слабой связи,$g_\text{weak}$, и$\alpha_\text{weak} = \frac{g_\text{weak}^2}{4\pi} \approx 10^{-6}$( источник ). Так что этот процесс порядка в 10000 раз менее вероятен, чем аннигиляция в фотоны. (На самом деле это еще менее вероятно, потому что при низких энергиях, как указывал Ахметели , вероятность еще больше подавляется фактором$m_W^{-2}$, где$m_W$— относительно большая масса W-бозона.)

Гравитация — еще более слабое взаимодействие, поэтому можно ожидать, что соответствующая диаграмма аннигиляции в гравитоны будет гораздо менее вероятной. Вы можете оценить, что$\alpha_\text{gravity} \approx 10^{-39}$. Но в данном случае даже неясно, насколько хорошо диаграммы Фейнмана вообще описывают процесс, поскольку у нас нет надлежащей квантовой теории гравитации.

Насколько я понимаю, электрон-позитронная аннигиляция с образованием нейтрино-антинейтрино возможна при любой энергии, но сечение такой реакции крайне мало при низкой энергии. В то время как электрон-позитронная аннигиляция с образованием двух фотонов требует виртуального электрона, электрон-позитронная аннигиляция с нейтрино-антинейтрино возможна только из-за слабого взаимодействия, поэтому для нее требуется виртуальный бозон W или Z (Phys. Rev. D, DA Dicus, v. .6, с.941 (1972)). Массы этих бозонов на пять порядков больше массы электрона, поэтому сечение чрезвычайно мало при низких энергиях. Или, другими словами, реакция возможна, но очень обратная, так как слабое взаимодействие намного слабее электромагнитного взаимодействия при малой энергии.

Все виды частиц могут быть созданы с различной вероятностью в зависимости от энергии столкновения. Заряд, импульс, энергия и угловой момент должны сохраняться, поэтому обычно вы видите результаты, подобные парам частица-античастица. При более высоких энергиях есть много продуктов, которые менее вероятны, но не невозможны:$D^+D^-$,$\nu\ \bar{\nu}$,$W^+W^-$,даже$Z^0$. ЦЕРН построил целый ускоритель LEP , посвященный этому взаимодействию.

РЕДАКТИРОВАТЬ: В ответ на комментарий ниже о том, почему распад фотона предпочтительнее распада нейтрино: насколько я понимаю,$e^+e^-\rightarrow \nu\ \bar{\nu}$имеет$W/Z$промежуточный, например$e^+e^-\rightarrow Z^*\rightarrow\nu\ \bar{\nu}$. Бозон массивен, что подавляет вероятность этого распада.