Interested Article - Рождение пар
- 2021-07-30
- 1
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 (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 E p = 2 m e c 2 = 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 году , а также Патрик Блэкетт , получивший в 1948 году за это и другие открытия Нобелевскую премию по физике .
Рождение электрон-позитронных пар в электрическом поле
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
В мощных лазерных импульсах можно получить электромагнитные поля релятивистских напряжённостей. В настоящее время удаётся получить поток мощности до 10 22 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
Достаточная напряжённость электрического поля достигается вблизи поверхности сверхтяжёлых ядер, имеющих заряд Z > 1/α ≈ 137 , 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 E p = 2 m e c 2 = 1,022 МэВ . 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 E p . 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
Электрон-позитронные пары теоретически способно порождать гравитационное поле, как переменное, так и постоянное. Экспериментально такие процессы пока не наблюдались.
Рождение пар гравитационной волной
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 .
Рождение пар в статическом гравитационном поле
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
Литература
- Герштейн С. С. Теория относительности и квантовая механика открывают мир античастиц // Соросовский образовательный журнал , 1998, № 9, С. 79—85.
- Смолянский С. А. Вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях. // Соросовский образовательный журнал , 2001, № 2, с. 69—75;
- Зельдович Я. Б. , Хлопов М. Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1988. ( Б-ка «Квант» ; Вып. 67).
- Киржниц Д. А. , Линде А. Д. Фазовые превращения в микромире и во Вселенной // Природа . 1979. № 11. С. 20—30.
- Попов В. С. Квантовая электродинамика сверхсильных полей // Природа . 1981. № 10. С. 14.
- Smolyansky S. A., Ropke G., Schmidt S. et al. Dynamical Derivation of a Quantum Kinetic Equation for Particles Production in the Schwinger Mechanism // GSI Report 97-72; 1998. Vol. E7. P. 709.
- Schmidt S., Blashke D., Ropke G. et al. Non-Markovian Effects in Strong-Field Pair Creation // Phys. Rev. D. 1999. Vol. 59. P. 094005.
- Bloch J. C. R., Mizerny V. A., Prozorkevich A. V. et al. Pair Creation: Back-Reaction and Damping // Phys. Rev. D. 1999. Vol. 60. P. 1160011.
- Нарожный Н. Б., Федотов А. М. УФН . — 2015. — Т. 185 . — С. 103 . — doi : . //
Примечания
- . Дата обращения: 14 марта 2017. 15 марта 2017 года.
- J. Reinhardt, U. Müller, B. Müller, W. Greiner. (англ.) // Zeitschrift für Physik A: Atoms and Nuclei. — 1981. — Vol. 303. — Iss. 3 . — P. 173—188. 10 июня 2018 года.
- Зельдович Я. Б. , Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. — М., Наука, 1975.
- Гриб А. А. , Мамаев С. Г., Мостепаненко В. М. Квантовые эффекты в интенсивных внешних поях. — М., Атомиздат, 1980.
- 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
- Гинзбург В. Л. , Фролов В. П. от 9 мая 2018 на Wayback Machine // УФН , 1987, т. 153, с. 633—674
- 2021-07-30
- 1