Физикам СПбГУ удалось разрешить расхождение между теорией и экспериментом по двухфотонной аннигиляции позитронов с сильно связанными электронами

С момента открытия простейших частиц антиматерии — позитронов — в 1932 году особенности их взаимодействия с атомами, молекулами и твёрдыми телами вызывают неослабевающий интерес. Один из важнейших процессов взаимодействия позитронов с веществом — процесс аннигиляции с электронами среды — нашёл сегодня обширное применение и лежит в основе методов позитрон-эмиссионной томографии, применяется для диагностики и контроля дефектов в металлах и полупроводниках, и во многих других приложениях.

Особого внимания учёных заслуживает аннигиляция с электронами внутренних оболочек тяжёлых (с зарядом ядра около 50 и более) атомов, поскольку предоставляет уникальную возможность для исследований антиматерии в присутствии сильного электрического поля, создаваемого ядром, и на несколько порядков превосходящего поля современных лазерных установок. Результаты изучения процесса аннигиляции позитрона со связанным электроном с одновременной эмиссией двух фотонов представлены в недавно опубликованной научной статье: V. A. Zaytsev, A. V. Volotka, D. Yu, S. Fritzsche, X. Ma, H. Hu, V. M. Shabaev. Ab initio QED Treatment of the Two-Photon Annihilation of Positrons with Bound Electrons // Phys. Rev. Lett. 2019. 123, 093401 (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.093401).

Работа международного коллектива учёных, в котором ведущая роль принадлежит сотрудникам кафедры квантовой механики СПбГУ, была направлена на теоретическое исследование процесса аннигиляции позитрона с электронами наиболее глубокой оболочки атома серебра, для которого ранее было установлено сильное противоречие между теорией и экспериментом. Для решения этой проблемы в работе был разработан строгий формализм описания данного процесса.

Несмотря на большую значимость двухфотонной аннигиляции, строгое квантовоэлектродинамическое описание, должным образом учитывающее позитрон- и электрон-ядерное взаимодействие, до сих пор не было представлено. Между тем, процессы такого рода требуют именно строгого описания.
Ассистент СПбГУ Владимир Зайцев (кафедра квантовой механики)

Как рассказал Владимир Алексеевич, аннигиляция обычно описывается с помощью одного из двух приближенных методов. В случае ультра-медленных позитронов используются приближённые формулы китайского физика Ч. Ли (который, кстати, обучался в аспирантуре ЛГУ в 50-х годах прошлого века). Аннигиляция ультра-быстрых позитронов описывается в рамках импульсного приближения, основанного на формулах, выведенных Дираком и Таммом. Оба метода оказываются неприменимыми для описания аннигиляции с электронами внутренних оболочек, связанных сильным электрическим полем тяжелого ядра. Так, например, экспериментальные данные для аннигиляции позитронов, обладающих энергией 300 кэВ (чуть менее 80 % от скорости света), и электронов наиболее глубокой оболочки атома серебра отличались от теоретических предсказаний почти на два порядка величины.

Новая научная публикация демонстрирует значительное различие между развитым в работе строгим подходом и ранее используемыми приближенными методами. Полученные учёными результаты прекрасно согласуются с экспериментальными данными и, тем самым, разрешают давние разногласия между теорией и экспериментом, существовавшие более 40 лет.