Formação de pares (física)

Em física de partículas, a formação de pares , também a criação de pares , é entendida como a formação de um par partícula - antipartícula real e observável . Os pares virtuais sempre existentes, apenas indiretamente observáveis ​​(ver polarização a vácuo ), geralmente não são entendidos pelo termo.

Em um sentido mais restrito, a formação de pares é entendida como a - historicamente conhecida pela primeira vez - geração de um par elétron - pósitron de um fóton energético . Hoje, entretanto, por exemplo, são conhecidos os pares de múon - antimuon - ou próton - antipróton . Em qualquer caso, o processo só ocorre quando a energia disponível é pelo menos igual à soma das energias de repouso das partículas a serem geradas.

O processo oposto no qual um par partícula-antipartícula é destruído é chamado de aniquilação .

Geração elétron-pósitron

Suporte para câmara de bolhas DESY ; a formação de um par é marcada em cores. O caminho verde do fóton não é observado diretamente, mas é reconstruído a partir dos caminhos em forma de espiral das cargas.

O traço característico da formação do par na imagem da câmara de bolha mostrada acima. Em um campo magnético forte, o caminho das duas cargas é formado em espirais com direções opostas de rotação.

A geração de um par elétron-pósitron a partir de um fóton de alta energia foi experimentalmente demonstrada em 1933 como o primeiro processo de formação de par por Irène Curie e Frédéric Joliot . A formação desse par representa um importante processo de interação dos fótons com a matéria . B. em câmaras de bolhas para traços característicos. Uma distinção é feita entre dois casos: A formação do par pode ocorrer por meio da interação de um fóton com o campo elétrico de um núcleo atômico ou um elétron da camada .

Interação de um fóton com um núcleo atômico

Se o emparelhamento ocorre no campo de um núcleo atômico, quase toda a energia do fóton é convertida na massa das duas partículas e sua energia cinética . A energia do fóton deve, portanto, ser pelo menos igual à soma das energias de repouso do elétron e pósitron. O recuo do núcleo atômico, em cujo campo ocorre o emparelhamento, também está incluído em um balanço de energia exato. A energia limite para a criação do par é, portanto,

${\ displaystyle E _ {\ gamma, \ mathrm {min}} = 2m _ {\ mathrm {e}} c ^ {2} \ left (1 + {\ frac {m _ {\ mathrm {e}}} { M}} \ direita)}$

tendo como massa do núcleo em interação, a massa do elétron e a velocidade da luz . O termo muitas vezes pode ser negligenciado. Na espectroscopia gama com detector de germânio , por exemplo, a massa do núcleo de germânio dá ${\ displaystyle M}$${\ displaystyle m _ {\ mathrm {e}}}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle {\ frac {m _ {\ mathrm {e}}} {M}}}$

${\ displaystyle {\ frac {m _ {\ mathrm {e}}} {M}} = 7 {,} 6 \ cdot 10 ^ {- 6}}$.

${\ displaystyle E _ {\ gamma, \ mathrm {min}}}$é, portanto, aproximadamente 1,022 MeV ( radiação gama ). Se o fóton tiver uma energia mais alta, ela será convertida na energia cinética do elétron e pósitron. A probabilidade de formação de pares aumenta proporcionalmente ao número atômico do núcleo atômico e ao logaritmo da energia do fóton.

O fato de que a formação de um par elétron-pósitron só é observada quando o fóton interage com uma partícula (aqui o núcleo atômico), mas não no vácuo, pode ser explicado pela conservação geralmente válida do momento. Além disso, o seguinte experimento de pensamento para o caso limite de uma energia de fóton par , o que significa que a energia cinética das partículas geradas é zero: No sistema de repouso das duas partículas criadas pela formação de pares, estas juntas têm um momento de zero. No entanto, um fóton tem a mesma velocidade de vácuo da luz c em todos os sistemas de referência e, portanto, também um impulso do tamanho neste sistema . Portanto, as duas partículas com seu momento total de zero não podem ser as únicas partículas presentes após o processo. Em vez disso, a formação do par ocorre apenas quando uma partícula adicional, neste caso o núcleo atômico, ganha impulso. ${\ displaystyle E _ {\ gamma, \ mathrm {min}}}$${\ displaystyle E _ {\ gamma} / c}$

Interação de um fóton com um elétron

Se o emparelhamento ocorre no campo elétrico de um elétron da camada atômica, esse elétron com sua baixa massa é fortemente acelerado pelo momento transmitido e liberado do átomo. Por causa das três partículas livres (dois elétrons e um pósitron), esse processo também é chamado de formação de tripletos .

A energia de limiar necessária pode ser derivada da relação energia-momento

${\ displaystyle E _ {\ text {rest}} ^ {2} = E ^ {2} - \ left (pc \ right) ^ {2}}$

derivar. Assumindo que todas as três partículas se movem com a mesma velocidade na mesma direção após a geração do par, ou seja, estão em repouso em relação ao outro, a energia de repouso do sistema corresponde à energia de repouso das três partículas. Uma vez que a energia total antes da formação do par é composta da energia do fóton e da energia de repouso do elétron ligado, segue-se ${\ displaystyle E _ {\ text {Silencioso}}}$${\ displaystyle 3m_ {e} c ^ {2}}$

${\ displaystyle \ left (3m_ {e} c ^ {2} \ right) ^ {2} = \ left (E _ {\ gamma, \ mathrm {min}} + m_ {e} c ^ {2} \ right ) ^ {2} - \ left ({\ frac {E _ {\ gamma, \ mathrm {min}}} {c}} \ cdot c \ right) ^ {2}.}$

Se a equação for resolvida , a energia limite é obtida ${\ displaystyle E _ {\ gamma, \ mathrm {min}}}$

${\ displaystyle E _ {\ gamma, \ mathrm {min}} = 4 \, m_ {e} \, c ^ {2}.}$

Deste, a quantidade é necessária para a formação do par elétron-pósitron, enquanto a energia restante também é transferida para as três partículas como energia cinética. ${\ displaystyle 2m_ {e} c ^ {2}}$${\ displaystyle 2m_ {e} c ^ {2}}$

Interação entre fótons

Pares reais de elétron-pósitron também podem ser gerados por colisões de fótons de alta energia uns com os outros. Isso foi demonstrado pela primeira vez em 1997, com um experimento no Stanford Linear Accelerator Center . Os fotões de um laser de Nd: vidro de laser foram, por sua vez trazido para energias GeV por espalhamento em electrões de 47 volts gigaelectron (GeV). Essa geração de matéria por meio de colisões fóton-fóton é assumida para algumas formações estelares.

Emparelhamento interno

Durante a transição de um núcleo atômico excitado para um estado de energia mais baixa, se houver uma diferença de energia suficiente, uma formação interna de elétron-pósitron também pode ocorrer. Pode ser observado em particular com nuclídeos leves se uma transição gama é dificultada ("proibida") por uma grande diferença no momento angular.

Descrição da mecânica quântica

Em termos de mecânica quântica, a geração de pares pode ser descrita por uma seção transversal de espalhamento diferencial quádruplo . A integração em dois ângulos resulta em uma seção transversal de espalhamento diferencial duplo que pode ser bem usada em simulações de Monte Carlo.

literatura

• Jörn Bleck-Neuhaus: Partículas elementares . 2ª Edição. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 . 

Evidência individual

1. ^ DL Burke e outros: Produção de pósitrons na dispersão multifotônica luz por luz. Physical Review Letters Volume 79 (1997) pp 1626-1629. [1]
2. ↑ Página inicial do experimento SLAC
3. ↑ Hans Bucka : Nukleonenphysik , Walter de Gruyter, 1981, p. 392ss
4. ↑ https://people.nscl.msu.edu/~witek/Classes/PHY802/EMdecay.pdf
5. ↑ DK Jha, Radioactivity And Radioactive Decay , Capítulo 4.5, pp. 146ff
6. ^ H. Bethe , W. Heitler : Na parada de partículas rápidas e na criação de elétrons positivos . In: Proceedings of the Royal Society of London. Série A . fita 146 , não. 856 , 8 de janeiro de 1934, p. 83-112 , doi : 10.1098 / rspa.1934.0140 . 
7. ↑ Christoph Köhn, Ute Ebert: Distribuição angular de fótons de Bremsstrahlung e de pósitrons para cálculos de flashes de raios gama terrestres e feixes de pósitrons . In: Pesquisa Atmosférica . doi : 10.1016 / j.atmosres.2013.03.012 (no prelo , manuscrito aceito).