Рождение пар

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Рожде́ние пар — в физике элементарных частиц обратный аннигиляции процесс, в котором возникают пары частица-античастица (реальные или виртуальные). Для появления реальной пары частиц закон сохранения энергии требует, чтобы энергия, затраченная в этом процессе, превышала удвоенную массу частицы: Минимальная энергия необходимая для рождения пары данного типа, называется порогом рождения пар. Кроме того, для рождения реальной пары необходимо выполнение других законов сохранения, применимых к данному процессу. Так, законом сохранения импульса запрещено рождение одним фотоном в вакууме реальной электрон-позитронной пары (или пары любых других массивных частиц), поскольку единичный фотон в любой системе отсчёта несёт конечный импульс, а электрон-позитронная пара в своей системе центра масс обладает нулевым импульсом. Чтобы происходило рождение пар, необходимо, чтобы фотон находился в поле ядра или массивной заряженной частицы. Этот процесс происходит в области, имеющей размер комптоновской длины волны электрона λ = 2,4 × 10−10 см[1] (или, при рождении пар более тяжёлых частиц, например мюонов μ+μ, размер их комптоновской длины волны).

Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта с электромагнитным полем ядра (в сущности, с виртуальным фотоном) является преобладающим процессом потери энергии гамма-квантов в веществе при энергиях выше 3 МэВ (при более низких энергиях действуют в основном комптоновское рассеяние и фотоэффект, при энергиях ниже Ep = 2mec2 = 1,022 МэВ рождение пар вообще отсутствует). Вероятность рождения пары в таком процессе пропорциональна квадрату заряда ядра.

Рождение электрон-позитронных пар гамма-квантами (в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле для разделения треков электрона и позитрона) впервые наблюдали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1933, а также Патрик Блэкетт, получивший в 1948 за это и другие открытия Нобелевскую премию по физике.

Рождение электрон-позитронных пар в электрическом поле[править | править код]

Сильное электрическое поле способно генерировать электрон-позитронные пары. Интенсивность генерации электрон-позитронных пар зависит от напряжённости поля, а не от его частоты. Под влиянием статического электрического поля потенциальный барьер, отделяющий позитроны в море Дирака от электронов, приобретает треугольную форму. Швингер нашёл формулу для вероятности образования электрон-позитронных пар в единице объёма за единицу времени, то есть интенсивности рождения пар: , где  — критическое значение напряжённости поля. Эффективность рождения пар экспоненциально уменьшается при уменьшении напряжённости. Чтобы эффект был заметным, необходимы очень большие напряжённости поля В/см. Напряжённость поля на боровской орбите атома водорода В/см.

Лазерные импульсы[править | править код]

В мощных лазерных импульсах можно получить электромагнитные поля релятивистских напряжённостей. В настоящее время удаётся получить поток мощности до 1022 Вт/см² при длительности импульса порядка нескольких фемтосекунд (1 фс = 10−15 с). В таких полях с помощью линз можно создать напряжённости электрического поля, близкие к Таким образом возможна прямая экспериментальная проверка эффекта вакуумного рождения электрон-позитронных пар.

Столкновения релятивистских тяжёлых ионов[править | править код]

Достаточная напряжённость электрического поля достигается вблизи поверхности сверхтяжёлых ядер, имеющих заряд Z > 1/α ≈ 140, где α — постоянная тонкой структуры. Энергия связи электрона на нижней, так называемой K-оболочке в атоме с зарядом ядра Z ≈ 150 равна массе электрона, а при Z ≈ 172 — удвоенной массе электрона, то есть порогу рождения электрон-позитронных пар Ep = 2mec2 = 1,022 МэВ.[2] Ядер с таким зарядом в природе нет, однако они кратковременно образуются при столкновениях тяжёлых ионов в экспериментах, направленных на поиск сверхтяжёлых элементов. Если суммарный заряд сталкивающихся ионов превысит критическое значение, то на короткое время, до распада составного ядра возникнет электрическое поле, достаточное для спонтанного рождения реальной электрон-позитронной пары. Электрон виртуальной электрон-позитронной пары фактически находится в потенциальной яме с глубиной Ep. Когда вблизи неё появляется другая потенциальная яма с такой же или большей глубиной (К-оболочка вблизи сверхтяжёлого составного ядра), становится возможным превращение виртуальной пары в реальную. Электрон, туннелировав через потенциальный барьер, занимает вакансию на К-оболочке, а позитрон уходит на бесконечность.

Рождение электрон-позитронных пар в гравитационном поле[править | править код]

Электрон-позитронные пары теоретически способно порождать гравитационное поле, как переменное, так и постоянное. Экспериментально такие процессы пока не наблюдались.

Рождение пар гравитационной волной[править | править код]

Для переменного гравитационного поля (гравитационная волна) порог рождения пар , где  — частота гравитационной волны,  — масса электрона и позитрона,  — скорость света. Рождение пар элементарных частиц переменным гравитационным полем может играть большую роль в космологии[3][4].

Рождение пар в статическом гравитационном поле[править | править код]

Постоянное гравитационное поле для того, чтобы породить пары, должно быть неоднородным. Пары могут рождаться только за счёт приливного эффекта. Разность сил, действующих на электрон и позитрон в виртуальной паре (приливной эффект), равна где  — ускорение, сообщаемое гравитационным полем,  — комптоновская длина волны,  — характерный масштаб неоднородности гравитационного поля. Порог рождения пар: Для сферической невращающейся массы на достаточно большом расстоянии r от нее ускорение и условие рождения пар принимает вид Его можно записать в виде где  — гравитационный радиус. Энергия, необходимая одной частице из возникшей пары для того, чтобы уйти прочь, возникает за счёт поглощения другой частицы чёрной дырой. В поле тяжести с ускорением электронно-позитронная пара на характерном расстоянии приобретает энергию Такой энергии отвечает температура Электронно-позитронные пары будут рождаться, если то есть при Если то вероятность рождения пар снижена множителем [5][6]

Литература[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Мурзина Е. А. Взаимодействие излучения высокой энергии с веществом. Глава 3. Взаимодействие фотонов с веществом. Пункт 3.4. Рождение электронно-позитронных пар
  2. J. Reinhardt, U. Müller, B. Müller, W. Greiner. The decay of the vacuum in the field of superheavy nuclear systems (англ.) // Zeitschrift für Physik A: Atoms and Nuclei. — 1981. — Vol. 303. — Iss. 3. — P. 173—188.
  3. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. — М., Наука, 1975.
  4. Гриб А. А., Мамаев С. Г., Мостепаненко В. М.Квантовые эффекты в интенсивных внешних поях. — М., Атомиздат, 1980.
  5. Гинзбург В. Л., Фролов В. П. Вакуум в однородном гравитационном поле и возбуждение равномерно ускоренного детектора // Эйнштейновский сборник 1986—1990. — М., Наука, 1990. — Тираж 2600 экз. — С. 190—278
  6. Гинзбург В. Л., Фролов В. П. Вакуум в однородном гравитационном поле и возбуждение равномерно ускоренного детектора // УФН, 1987, т. 153, с. 633—674