Почему при столкновении частицы с античастицей возникает 222 фотона вместо 111?

Фотоны имеют импульс$p=\frac{E}{c}$(несмотря на отсутствие массы) Таким образом, для сохранения линейного импульса образуются несколько фотонов, движущихся в разных направлениях. Кроме того, фотоны обычно образуются при низкоэнергетических столкновениях. Столкновения с высокой энергией могут привести к образованию экзотических тяжелых частиц. Кроме того, аннигиляция (или распад) электрон-позитронной пары на единичный фотон может происходить в присутствии третьей заряженной частицы, которой избыточный импульс может быть передан виртуальным фотоном от электрона или позитрона.

Набор$c=1$и обозначим массу электрона/позитрона через$m$. Предположим, что мы переходим к системе покоя столкновения, что мы всегда можем сделать при рассмотрении массивных частиц. Тогда мы можем записать 4-импульс электрона как$(E, \vec{p}) =(\sqrt{m^2 + \vec{p}^2}, p_x, p_y, p_z)$а 4-импульс позитрона как$(\sqrt{m^2 + \vec{p}^2}, -p_x, -p_y, -p_z)$.

В какой-то момент во время столкновения позитрон и электрон аннигилируют при образовании одного фотона; однако по закону сохранения импульса, если ничего не произойдет, этот фотон будет иметь 4-импульс$(E, \vec{p}) = (2 \sqrt{m^2 + \vec{p}^2},0,0,0)$. Это означает, что он не находится на оболочке, так как его энергия и импульс не удовлетворяют$E = |\vec{p} |$. Следовательно, должно произойти что-то еще , чтобы вместо виртуальных частиц мы получили реальные.

И наоборот, можно начать с энергичного фотона на оболочке с$E \geq 2m$. Теперь мы не можем перейти к системе покоя фотона, потому что фотон — безмассовая частица. Итак, предположим, что фотон движется в направлении z; тогда у него 4-импульс$(E,0,0,E)$. Если фотон затем распадается на позитрон и электрон, можно перейти в систему покоя позитрона или электрона. В системе покоя позитрона (для определенности) позитрон будет иметь четырехимпульс$(m, 0,0,0)$и, следовательно, электрон будет иметь четырехкратный импульс$(E-m, 0,0, E)$. Но теперь вы можете убедить себя, что электрон тоже не находится на оболочке, так что снова должен произойти какой-то другой процесс, чтобы все вылетающие частицы стали реальными.

Ваше понимание неверно.

Эксперименты LEP имели столкновения частиц с античастицами и производили как минимум две частицы на выходе, а не только две. Вот опубликованные измерения только что заряженной множественности на LEP.

Причина, по которой они не могут войти в один фотон и нуждаются как минимум в двух фотонах, объясняется в другом ответе: чтобы иметь сохранение импульса и энергии в центре масс: электрон и позитрон имеют инвариантную массу в сумме их четырех векторов. тогда как отдельный фотон не имеет массы: reductio ad absurdum.

Они могут превратиться в одну массивную частицу, как видно на этом экспериментальном графике е+е-рассеяния:

но стабильных частиц не существует, есть только резонансы, которые затухают, некоторые по нескольким каналам. Позитроний некоторое время находится в связанном состоянии при очень низкой энергии е+е-, образуя атом, прежде чем е+е- аннигилирует в два фотона .