電子正子對滅

電子正子對滅 (Electron-Positron Annihilation)
國立臺灣大學物理學系 陳昱璟

電子正子對滅 (Electron-positron annihilation) 是指當電子與正子（電子的反粒子）相撞時，互相消滅的過程。正子是與電子相對的反物質，帶有 +1 的單位電荷，質量與電子皆相同。雖然兩者相互消滅，但此過程必須滿足電荷守衡定律、動量守衡定律、能量守衡定律以及角動量守恆定律；過程中有一定的機率產生光子 (Photon)、或是其他更高能量的粒子對，但是機率較小。雖然如此，電子與正子也有機率彼此影響而不對滅，例如：彈性散射 (Elastic scattering) 中，兩個粒子交換部分動量及能量，但並沒有對滅。

圖一、電子正子對滅產生光子之費曼圖。（本文作者陳昱璟繪）

當入射的電子與正子能量較低時，產生兩個或多個光子的機率最大，由於動量守恆定律，不能允許產生單一個光子。圖一即為電子與正子對滅產生兩個光子的費曼圖 (Feynman diagram)，由下至上代表時間的先後，箭頭代表物質及反物質，波浪線代表光子。而其方程式如下：

$$e^-+e^+\rightarrow \gamma+\gamma$$

當能量較高時，有可能產生較重的粒子對，例如：D 介子 (D meson)、W 及 Z 玻色子 (W and Z boson) 等等。許多粒子加速器即是利用正子與電子在相對論性速度下對撞能夠產生各種的次原子粒子 (Subatomic particle) 來進行實驗，通過研究這些碰撞的數據，高能物理學家得以測試新理論以及尋找新粒子。位於瑞士及法國邊界的大型電子正子對撞機（Large Electron-Positron Collider，縮寫：LEP），是目前已建造最高能量的輕子加速器，但在 2001 年已被拆除，其空間被拿來作為大型強子對撞機（Large Hadron Collider，縮寫：LHC）之軌道。

電子正子對滅在醫療及科學中的應用很廣，正[電]子[發射]層析術 (Positron emission tomography) 即是醫療應用的其中一例。藉由測試者喝下去的放射性元素所衰變釋放出的正子，與人體內部的電子相互對滅，釋放出一對彼此方向相反的光子對，而人體外側的偵測器在接受到同時出現的光訊號後，計算並重建位置，即可提供人體全身的三維圖像，是目前核醫學領域極先進的臨床檢查影像技術。而在材料科學中，正子湮滅能譜（Positron Annihilation Spectroscopy，縮寫： PAS）是一種非破壞性的研究方法，藉由正子來偵測固態材料中微觀的結構，晶格缺陷等等。

參考文獻

1. 張元翰 (2005)。從科幻世界到科學研究─尋找反物質。科學人雜誌，第41期7月號。
2. 維基百科｜電子對湮滅。http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%AD%90%E5%B0%8D%E6%B9%AE%E6%BB%85
3. 維基百科｜正電子。
   http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AD%A3%E9%9B%BB%E5%AD%90