Създаване на двойка

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Jump to navigation Jump to search

Създаване на двойка е образуването на елементарна частица и нейната античастица от неутрален бозон. Примерите включват създаването на електрон и позитрон, мюон и антимюон или протон и антипротон. Създаването на двойка често се отнася за фотон, произвеждащ двойка електрон-позитрон близо до ядро. За да се случи произвеждане на двойка, входящата енергия на взаимодействие трябва да е над даден праг за да се създаде двойката – поне общата енергия в покой на двете части, а ситуацията трябва да позволява енергията и импулсът да бъдат запазени.[1] Все пак, всички други запазени квантови числа (момент на импулса, електричен заряд, лептонно число) на създадените частици трябва да имат сбор, равен на нула – следователно, произведените частици трябва да имат стойности, противоположни по знак. Например, ако една частица има електричен заряд +1, то другата трябва да има електричен заряд -1 или ако една частица има странност +1, то другата трябва да има странност -1.

Вероятността за създаване на двойка при взаимодействията между фотони и материя нараства с фотонната енергия и приблизително се увеличава с квадрат от атомното число на близкия атом.[2]

Фотон към електрон и позитрон[редактиране | редактиране на кода]

Диаграма, показваща процеса на създаване на двойка електрон-позитрон.

За протони с голяма фотонна енергия (от порядъка на MeV) създаването на двойка е доминиращият начин на фотонно взаимодействие с материята. Тези взаимодействия за пръв път са наблюдавани в мъглинната камера на Патрик Блакет, което му печели нобелова награда по физика през 1948 г.[3] Ако фотонът е блзо до атомно ядро, енергията на фотона може да бъде преобразувана в двойка електрон-позитрон:

γe + e+

Енергията на фотона се преобразува в маса на частицата съгласно уравнението на Айнщайн (E=mc2), където E е енергия, m е маса, а c е скоростта на светлината. Фотонът трябва да има по-голяма енергия от сумата на енергиите в покой на електрон и позитрон (2 × 0,511 MeV = 1,022 MeV), за да има създаване на двойка. Фотонът трябва да е близо до ядро, за да удовлетвори запазването на импулса, тъй като двойка електрон-позитрон, създадена в свободното пространство, не може да удовлетвори запазването на енергията и импулса.[4] Поради това, когато възниква създаване на двойка, атомното ядро получава известен откат. Обратният процес се нарича електрон-позитронна анихилация.

Основна кинематика[редактиране | редактиране на кода]

Тези свойства могат да бъдат изведени чрез кинематиката на взаимодействие. Използвайки 4-векторни обозначения, запазването на енергията и импулса преди и след взаимодействието дава:[5]

Където е откатът на ядрото. Оттук следва, че модулът на 4-вектора е:

Което внушава, че за всички случаи, а . Уравнението на запазване може да повдигне на квадрат:

Все пак, в повечето случаи откатът на ядрото е много по-малък в сравнение с енергията на фотона и може да бъде пренебрегнат. Взимайки това приближение на за да се опрости и разширявайки останалата връзка:

Следователно, това приближение може да бъде удовлетворено само, ако електронът и позитронът са излъчени в абсолютно еднаква посока с .

Тази деривация е полу-класическо приближение. По-точна деривация на кинематиката може да се направи, като се вземе предвид пълното квантово механично разсейване на фотона и ядрото.

Енергиен трансфер[редактиране | редактиране на кода]

Енергийният трансфер към електрон и позитрон в създаването на двойка се описва от уравнението:

Където е константата на Планк, е честотата на фотона, а е комбинираната маса в покой на електрона и позитрона. По принцип, игнорирайки отката на ядрото, електронът и позитронът могат да бъдат излъчени с различни кинетични енергии, но средният трансфер към всеки е:

Напречно сечение[редактиране | редактиране на кода]

Диаграма на Файнман на създаването на двойка електрон-позитрон.

Точната аналитична форма за напречното сечение на създаването на двойка трябва да се изчисли, използвайки квантова електродинамика, във формата на диаграма на Файнман, а резултатите в сложна функция. По-просто, напречното сечение може да бъде записано като:

Където е константа на тънката структура, е класическият радиус на електрона, е атомното число на материала, а е някаква комплексна функция, зависеща от енергията и атомното число. Съществуват таблици за напречните сечения на различни материали и енергии.

През 2008 г. лазер в Ливърморската национална лаборатория използва златна мишена с дебелина 1 милиметър, за да генерира голям брой електрон-позитронни двойки.[6]

Астрономия[редактиране | редактиране на кода]

Създаването на двойки се използва за да се предскаже съществуването на хипотетична радиация на Хокинг. Според квантовата механика, двойките частици постоянно се появяват и изчезват като квантова пяна. В регион на големи гравитационни приливни сили, двете частици могат понякога да бъдат разкъсани, преди да имат възможността да се анихилират. Когато това се случи в регион около черна дупка, едната частица може да избяга, докато нейната античастица е хваната от гравитацията на черната дупка.

Създаването на двойки, също така, е механизмът зад хипотетични свръхнови, където създаването на двойки изведнъж намалява налягането в свръхгигантска звезда, което води до частична имплозия и последващо експлозивно термоядрено изгаряне. Смята се, че свръхновата SN 2006gy е била такъв вид свръхнова.

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Das, A., Ferbel, T.. Introduction to Nuclear and Particle Physics. World Scientific, 2003-12-23. ISBN 9789814483339.
  2. Stefano, Meroli. How photons interact with matter. //
  3. Bywater, Jenn. Exploring dark matter in the inaugural Blackett Colloquium. // 29 октомври 2015.
  4. Hubbell, J. H.. Electron positron pair production by photons: A historical overview. // Radiation Physics and Chemistry 75 (6). юни 2006. DOI:10.1016/j.radphyschem.2005.10.008. с. 614 – 623.
  5. Kuncic, Zdenka. PHYS 5012 – Radiation Physics and Dosimetry. // The University of Sydney – Dr. Kuncic, 12 март 2013.
  6. Laser technique produces bevy of antimatter. // MSNBC. 2008. The LLNL scientists created the positrons by shooting the lab's high-powered Titan laser onto a one-millimeter-thick piece of gold.