电子–正电子湮灭是指一个电子及其反粒子——正电子——不再以入射粒子的形式存在，并产生其他粒子的反应。在低能情况下，占主导地位的直接湮灭通道产生两个光子，通常表现为伽马辐射。随着碰撞能量升高，更多终态成为可能。这一过程是粒子物理学的研究对象，也是成像、材料分析技术和天文观测的基础。“湮灭”并不意味着能量消失：入射粒子的总能量和总动量由反应产物携带。(geant4.web.cern.ch)
守恒定律与光子能量
常见的双光子反应写作
初始粒子对的净电荷为零，与电中性的终态一致。其能量和动量也守恒。在质心参考系中，入射粒子对的总动量为零，因此两个光子沿相反方向射出，且能量相等。单个实光子不可能成为孤立电子–正电子对的唯一产物，因为它必然携带非零动量。不过，在物质中，涉及周围粒子的相互作用可以使单光子湮灭成为可能，其反冲由其他粒子或周围物质承担。(hst-archive.web.cern.ch)
对于初始动能可忽略的自由粒子对，每个光子的能量近似等于电子的静止能量：
其中， 为电子的质量， 为光速，keV 表示一千电子伏特。两个光子的总能量约为 1.022 MeV。这体现了质能等价：粒子的静止能量转化为辐射能量，而不是被消灭。(hst-archive.web.cern.ch)
511 keV 并非普遍适用的数值。初始动能也会贡献于产物的能量。在飞行中湮灭时，两个光子在实验室参考系中的能量可以不相等，发射方向也不一定恰好相反。不过，在双光子终态自身的质心参考系中，两个光子始终能量相等、方向相反。(geant4.web.cern.ch)
正电子素与多光子湮灭
电子和正电子可以先形成正电子素，这是一种寿命很短的束缚体系，类似于氢原子，但没有原子核。其湮灭过程取决于粒子对的自旋态。基态仲正电子素为自旋单重态，总自旋为零；基态正正电子素为自旋三重态，总自旋为一。它们的主要衰变通道及真空中的寿命如下：
- **仲正电子素：**衰变为两个光子，寿命约为 125 皮秒。
- **正正电子素：**衰变为三个光子，寿命约为 142 纳秒。
这些数值是平均寿命，而不是每个原子都具有的固定存活时间。(doi.org)
在三光子衰变中，光子之间的能量分配呈连续分布，而它们的动量矢量之和等于初始动量。因此，这种衰变产生的是连续能谱，而不是能量集中在 511 keV 附近的一对光子。湮灭速率取决于电子与正电子波函数的重叠程度；激发态正电子素除了湮灭之外，还可以发生辐射跃迁。正电子素实验可用于检验量子电动力学，即描述电磁相互作用的量子理论。(discovery.ucl.ac.uk)
高能湮灭
电子–正电子湮灭并不局限于产生光子。当质心能量足够高时，它可以产生缪子–反缪子对、夸克–反夸克对，以及标准模型允许的其他终态。许多产生费米子对的反应通过中间虚光子或 Z 玻色子进行。中间光子并不是自由传播的实光子，因此，孤立体系不能以单个实光子作为唯一终态的限制并不排除这一机制。夸克的产生通过强子和粒子喷注来观测。(cds.cern.ch)
粒子加速器中的对撞束流使这些反应能够在实验中得到研究。欧洲核子研究组织的大型电子–正电子对撞机于 1989 年至 2000 年运行。其第一阶段使用约 91 GeV 的碰撞能量产生 Z 玻色子；升级后的阶段达到了足以产生 W 玻色子对的能量。对这些W和Z玻色子的产生和衰变进行测量，使研究人员能够对电弱相互作用开展精密检验。(home.web.cern.ch)
成像与材料研究
正电子发射断层成像（PET）探测正电子在组织中湮灭后产生的、能量约为 511 keV 的光子对。在很短的符合时间窗内探测到两个光子，可以确定湮灭发生位置所在的一条直线。综合大量这样的直线，便可重建发射正电子的放射性示踪剂的分布。在实际测量中，两个光子的方向只是近似相反，这与粒子对静止的理想描述存在重要区别。(www-pub.iaea.org)
在材料研究中，正电子湮灭谱学利用湮灭信号研究微观结构。寿命测量可以揭示空位团簇和微孔洞，而多普勒测量则考察湮灭光子的能量分布。实验已将这些方法应用于氧化物薄膜、半导体材料和多孔二氧化硅。因此，同一种基本反应可以通过不同的可观测量，探测缺陷或束缚态行为。(impact.ornl.gov)
天文观测
在天文学中，511 keV 附近的伽马射线谱线是电子–正电子湮灭的证据。利用 INTEGRAL 卫星上的 SPI 仪器开展的观测，确认了银河系中心区域和银盘中存在空间上广泛分布的湮灭辐射。伴随出现的正电子素连续谱提供了有关湮灭过程的补充信息。这种辐射的分布图标示的是正电子湮灭的位置，而不一定是它们产生的位置：正电子可以先在星际介质中迁移，然后才遇到电子，并在反应中湮灭。(arxiv.org)