Nașterea cuplurilor

Nașterea perechilor este procesul invers de anihilare în fizica particulelor elementare , în care apar perechi particule-antiparticule (reale sau virtuale ). Pentru apariția unei perechi reale de particule , legea conservării energiei cere ca energia cheltuită în acest proces să depășească de două ori masa particulei: Energia minimă necesară pentru a crea o pereche de acest tip se numește pragul de producție a perechii . În plus, pentru nașterea unei perechi reale, este necesară îndeplinirea altor legi de conservare aplicabile acestui proces. Astfel, legea conservării impulsului interzice nașterea unei perechi electron - pozitron real (sau a unei perechi de alte particule masive) de către un foton în vid , deoarece un singur foton în orice cadru de referință poartă un impuls finit, iar un electron -perechea de pozitroni în sistemul său de centru de masă are impuls zero. Pentru ca producția de perechi să aibă loc, este necesar ca fotonul să fie în câmpul unui nucleu sau al unei particule încărcate masive. Acest proces are loc într-o regiune cu dimensiunea lungimii de undă Compton a electronului λ = 2,4⋅10 −10 cm [1] (sau, în cazul producerii de perechi de particule mai grele, de exemplu, muonii μ + μ − , dimensiunea lungimii lor de undă Compton). $E_{p}=2mc^{2}.$ $E_{p},$

Producerea de perechi electron-pozitron în timpul interacțiunii unei raze gamma cu câmpul electromagnetic al nucleului (în esență, cu un foton virtual) este procesul predominant de pierdere de energie a cuantelor gamma în materie la energii de peste 3 MeV (la energii, este în principal împrăștierea Compton și efectul fotoelectric care acționează , la energii sub E p = 2 me c 2 = 1,022 MeV , nu există deloc producție de perechi). Probabilitatea producerii perechilor într-un astfel de proces este proporțională cu pătratul sarcinii nucleare.

Crearea perechilor electron-pozitron de către cuante gamma (într- o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic pentru a separa urmele electronului și pozitronului) a fost observată pentru prima dată de Irene și Frederic Joliot-Curie în 1933 , precum și de Patrick Blackett , care a primit Premiul Nobel în pentru această și alte descoperiri1948 .

Crearea perechilor electron-pozitron într-un câmp electric

Un câmp electric puternic este capabil să genereze perechi electron-pozitron. Intensitatea generării perechilor electron-pozitron depinde de intensitatea câmpului și nu de frecvența acestuia. Sub influența unui câmp electric static, bariera de potențial care separă pozitronii din marea Dirac de electroni capătă o formă triunghiulară. Schwinger a găsit o formulă pentru probabilitatea formării perechilor electron-pozitron pe unitatea de volum pe unitatea de timp, adică intensitatea producției de perechi: , unde este valoarea critică a intensității câmpului. Eficiența producției de perechi scade exponențial pe măsură ce intensitatea scade. Pentru ca efectul să fie vizibil, sunt necesare intensități de câmp foarte mari V/cm. Intensitatea câmpului pe orbita Bohr a unui atom de hidrogen V/cm. $w={\frac {ce^{{2}}E^{{2}}}{4\pi ^{{3}}\hbar ^{{2}}}}\exp \left(-{\frac {E_{{kp}}}{E}}\dreapta)$ $E_{{kp))={\frac {\pi m^{{2}}c^{{3}}}{\hbar e}}$ $E_{{kp}}\sim 10^{{16}}$ $E_{{la}}\sim 10^{{9}}$

Pulsuri laser

În impulsuri laser puternice , pot fi obținute câmpuri electromagnetice cu puteri relativiste. În prezent, este posibil să se obțină un flux de putere de până la 10 22 W/cm² cu o durată a impulsului de ordinul mai multor femtosecunde ( 1 fs = 10 −15 s ). În astfel de câmpuri, cu ajutorul lentilelor, este posibil să se creeze intensități de câmp electric apropiate de . Astfel, este posibilă verificarea experimentală directă a efectului producerii de vid a perechilor electron-pozitron. $E_{{kp}}.$

Ciocniri de ioni grei relativiști

O intensitate suficientă a câmpului electric este obținută lângă suprafața nucleelor supergrele cu sarcină Z > 1/α ≈ 140 , unde α este constanta structurii fine . Energia de legare a unui electron din partea inferioară, așa-numita K-shell, într-un atom cu sarcină nucleară Z ≈ 150 este egală cu masa electronului, iar la Z ≈ 172 este de două ori mai mare decât masa electronului, că este, pragul pentru crearea perechilor electron-pozitron E p = 2 m e c 2 = 1,022 MeV . [2] Nu există nuclee cu o astfel de încărcare în natură, dar ele se formează pentru scurt timp în timpul ciocnirilor de ioni grei în experimente care vizează căutarea elementelor supergrele . Dacă sarcina totală a ionilor care se ciocnesc depășește valoarea critică, atunci pentru o scurtă perioadă de timp, înainte de dezintegrarea nucleului compus, va apărea un câmp electric care este suficient pentru producerea spontană a unei perechi electron-pozitron reale. Un electron dintr-o pereche virtuală electron-pozitron se află de fapt într-un puț de potențial cu adâncimea E p . Atunci când în apropierea ei apare un alt puț de potențial cu aceeași adâncime sau mai mare (o înveliș K lângă un nucleu compus supergreu), devine posibil să se transforme o pereche virtuală într-una reală. Electronul, care a făcut tunel prin bariera de potențial, ocupă un loc liber în învelișul K, iar pozitronul merge la infinit.

Crearea perechilor electron-pozitron într-un câmp gravitațional

Perechile electron-pozitron sunt teoretic capabile să genereze un câmp gravitațional, atât variabil, cât și constant. Astfel de procese nu au fost încă observate experimental.

Generarea de perechi de către o undă gravitațională

Pentru un câmp gravitațional variabil ( undă gravitațională ) pragul de producție a perechii este , unde este frecvența undei gravitaționale, este masa electronului și pozitronului, este viteza luminii. Nașterea perechilor de particule elementare printr-un câmp gravitațional variabil poate juca un rol important în cosmologie [3] [4] . $\hbar \omega =mc^{2)$ $\omega$ $m$ $c$

Producția de perechi într-un câmp gravitațional static

Un câmp gravitațional constant pentru a genera perechi trebuie să fie neuniform. Cuplurile se pot naște doar datorită efectului de maree. Diferența de forțe care acționează asupra unui electron și a unui pozitron într-o pereche virtuală (efect de maree) este unde este accelerația dată de câmpul gravitațional, este lungimea de undă Compton și este scara caracteristică a neomogenității câmpului gravitațional. Pragul de producere a perechii: Pentru o masă sferică nerotativă la o distanță suficient de mare r de aceasta, condiția de accelerare și producție de pereche ia forma Se poate scrie unde este raza gravitațională. Energia necesară pentru ca o particulă din perechea rezultată să scape se datorează absorbției unei alte particule de către gaura neagră. Într-un câmp gravitațional cu accelerație, o pereche electron-pozitron dobândește energie la o distanță caracteristică.Această energie corespunde temperaturii.Perechile electron-pozitron se vor naște dacă, adică la Dacă atunci probabilitatea producerii perechii este redusă cu un factor [5] [6] ${\frac {mgL_{C}}{L)),$ $g$ $L_{C}={\frac {\hbar {mc)}$ $L$ $({\frac {mgL_{C}}{L)})L_{C}\sim mc^{2}.$ $M$ $g={\frac {GM}{r^{2}}},$ $L\sim r$ $GML_{C}^{2}r^{-3}\sim c^{2}.$ $r\sim \left({\frac {L_{C}^{2}GM}{c^{2}}}\right)^{\frac {1}{3}}\sim \left( L_{C}^{2}R_{G}\right)^{\frac {1}{3)),$ $R_{G}={\frac {2GM}{c^{2)}}$ $g\sim {\frac {GM}{R_{G}^{2)}}$ $L_{C}={\frac {\hbar {mc)}$ $E\sim {\frac {GMmL_{C}}{R_{G}^{2}}}\sim {\frac {\hbar GM}{R_{G}^{2}c}}={ \frac {\hbar c^{3}}{4GM}}.$ $T\sim {\frac {\hbar c^{3}}{4k_{B}GM}}.$ $k_{B}T\sim mc^{2},$ $R_{G}\sim {\frac {\hbar {mc)).$ $R_{G}\gg {\frac {\hbar {mc}),$ $e^{-{\frac {E}{k_{B}T}})$

Literatură

Gershtein S. S. Teoria relativității și mecanica cuantică deschid lumea antiparticulelor // Soros Educational Journal , 1998, nr. 9, pp. 79-85.
Smolyansky SA Producerea în vid de particule în câmpuri electromagnetice puternice. // Jurnal Educațional Soros , 2001, Nr. 2, p. 69-75;
Zel'dovich Ya. B. , Khlopov M. Yu. Drama ideilor în cunoașterea naturii. M.: Nauka, 1988. ( B-ka „Quantum” ; Numărul 67).
Kirzhnits D. A. , Linde A. D. Transformări de fază în microcosmos și în Univers // Priroda . 1979. Nr 11. S. 20-30.
Popov VS Electrodinamica cuantică a câmpurilor superputernice // Priroda . 1981. Nr 10. S. 14.
Smolyansky SA, Ropke G., Schmidt S. et al. Derivarea dinamică a unei ecuații cinetice cuantice pentru producția de particule în mecanismul Schwinger // Raport GSI 97-72; Int. J. Mod. Fiz. 1998 Vol. E7. p. 709.
Schmidt S., Blashke D., Ropke G. et al. Efecte non-markoviene în crearea perechilor de câmp puternic // Fiz. Rev. D. 1999. Vol. 59. Str. 094005.
Bloch JCR, Mizerny VA, Prozorkevich AV și colab. Crearea perechilor: reacție la spate și amortizare // Fiz. Rev. D. 1999. Vol. 60. Str. 1160011.
Narozhny N. B., Fedotov A. M. Cascade cuantice-electrodinamice într-un câmp intens laser // Phys . - 2015. - T. 185 . - S. 103 . - doi : 10.3367/UFNr.0185.201501i.0103 . (Rusă)

Note

↑ Murzina E. A. Interacțiunea radiațiilor de înaltă energie cu materia. Capitolul 3. Interacțiunea fotonilor cu materia. Clauza 3.4. Nașterea perechilor electron-pozitron . Preluat la 14 martie 2017. Arhivat din original la 15 martie 2017. (nedefinit)
↑ J. Reinhardt, U. Müller, B. Müller, W. Greiner. Dezintegrarea vidului în domeniul sistemelor nucleare supergrele // Zeitschrift für Physik A: Atomi și nuclei. - 1981. - Vol. 303 – Iss. 3 . - P. 173-188.
↑ Zeldovich Ya. B. , Novikov I. D. Structura și evoluția Universului. - M., Nauka, 1975.
↑ Grib A. A. , Mamaev S. G., Mostepanenko V. M. Efecte cuantice în câmpuri externe intense. - M., Atomizdat, 1980.
↑ Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vacuum in a uniform gravitation field and excitation of a uniformly accelerated detector // Colecția Einstein 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Tiraj 2600 exemplare. - S. 190-278
↑ Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vacuum in a uniform gravitation field and excitation of a uniformly accelerated detector Copie de arhivă datată 9 mai 2018 la Wayback Machine // UFN , 1987, v. 153, p. 633-674