Spontane Paarbildung?

Also habe ich mich mit der Erzeugung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren aus einem Gammastrahl beschäftigt und verstehe eines nicht.

Nehmen wir an, ich habe ein 1,1-MeV-Photon und es trifft auf einen Kern - ein Elektron-Positron-Paar mit einem gewissen Impuls wird erzeugt, und der Kern wird wahrscheinlich aufgrund des Aufpralls ebenfalls einen gewissen Impuls bekommen.

Aber wozu braucht das Photon überhaupt den Kern? Warum kann es nicht einfach durch den Weltraum fliegen und sich mit einiger Wahrscheinlichkeit plötzlich in ein Elektron-Positron-Paar mit Impuls verwandeln? Ich sehe, dass der Impuls des Systems nicht erhalten bleiben würde, aber ich verstehe nicht wirklich, wie der Kern ihm hilft.

Diese Frage ist verwandt, aber nicht identisch: physical.stackexchange.com/q/12488

Antworten (5)

schau dir die Energie-Impuls-Erhaltung an:

p γ = p 1 + p 2

Das Photon hat die unveränderliche Masse 0, während das Elektron und das Positron Masse haben m e

p γ 2 = ( p 1 + p 2 ) 2 = p 1 2 + p 2 2 + 2 p 1 ⋅ p 2
0 = 2 m e 2 + 2 p 1 ⋅ p 2
− m e 2 = p 1 ⋅ p 2 = E 1 E 2 − | p 1 → | | p 2 → | c Ö s θ > E 1 E 2 − | p 1 → | | p 2 → | = E 1 E 2 ( 1 − β 1 β 2 ) > 0

Die Betas können nicht größer als eins sein. Die rechte Seite bleibt also immer positiv. Das Nukleon hilft. weil es den Anfangszustand in einen mit einer unveränderlichen Masse größer als Null ändert.

Eine einfachere Version dieses Arguments ist die folgende. Gehen Sie in den Schwerpunktrahmen des Endzustands. In diesem System muss der Impuls des Photons im Anfangszustand Null gewesen sein. Aber dann hatte dieses Photon keine Energie, also wurde die Energieerhaltung verletzt.
Photon hat wirklich eine unveränderliche Masse m = 0 aber wie kommt es, dass Sie seinem Schwung gleichkommen? p γ = 0 ? Der Impuls eines Photons ist es nicht p γ = m v γ = 0 es ist
p γ = h λ
und λ ≠ 0 . Also, wie kommt es, dass Sie das sagen p γ = 0 ? Ich verstehe wirklich nicht.
Er sagt, dass es eine Verletzung ist, da der Photonenimpuls nicht Null sein kann.

Die Paarbildung ist nicht dasselbe wie der Zerfall eines Teilchens. Ein Teilchen kann gemäß seiner Zerfallswahrscheinlichkeit in zwei Komponenten zerfallen, ohne dass eine zusätzliche Wechselwirkung erforderlich ist. Ein Lambda in seinem Ruhesystem zerfällt beispielsweise innerhalb einer vorhersagbaren Zerfallszeit in ein Proton und ein Pion.

Es gibt kein Ruhesystem für das Photon, da es seine Masse ist 0 und es bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. Wenn es spontan in ein Elektron-Positron-Paar zerfallen würde, hätten sie eine Ruhemasse und ein Ruhesystem, und ihre invariante Masse wäre mindestens 2 ∗ m e , was die Masse des Photons hätte sein sollen. Ein Widerspruch.

Es kann jedoch mit den Feldern anderer Teilchen interagieren. Wie interagiert das Photon? Die Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten lassen sich anhand der Ladungen der Zielteilchen berechnen, am einfachsten mit Hilfe von Feynman-Diagrammen. Man kann sich ein Photon so vorstellen, dass es sich sequentiell in virtuelle Schleifen verwandelt e + e − . Eines der virtuellen Elektronen interagiert mit dem Feld eines echten geladenen Teilchens und tauscht genug Energie und Impuls aus, so dass beides möglich ist e + und e − real werden, während Energie und Impuls in einer Dreikörper-Wechselwirkung erhalten bleiben.

Der Kern hilft, indem er den Impuls im Endzustand sicherstellt ( e + e − Atomkern) gleich dem im Ausgangszustand (Photonenkern) sein.

Der zweite Absatz ist ausreichend.

Wenn Sie ein Photon im Vakuum betrachten, gibt es kein bevorzugtes Inertialbezugssystem. Und die Energie des Photons hängt davon ab, welcher Rahmen gewählt wird. Manche Frames haben also mehr als die benötigte Energie, andere weniger. Es wäre wirklich umständlich, eine Paarproduktion in Referenzrahmen zu haben, denen die erforderliche Energie fehlt.

Eigentlich braucht das Photon den Kern nicht, um sich in ein Elektron-Positron-Paar zu verwandeln. Nach aktuellen Theorien tut es das ständig. Das Elektron-Positron-Paar konvergierte nach sehr kurzer Zeit wieder zu einem Photon.

Mir ist nicht bekannt, ob dieser Effekt bisher experimentell nachgewiesen wurde. Der beobachtbare Effekt sollte sein, dass Licht (ein starker LASER-Strahl) Licht (ein anderer String-LASER-Strahl) streuen kann, da das elektrische Feld des vorübergehend vorhandenen Paares mit den elektrischen Feldern anderer Paare wechselwirkt. Mit Ihrem normalen Labor-LASER ist der Effekt viel zu gering, um beobachtet zu werden.

Diese Antwort ist eigentlich richtig , außer dass Sie über zwei oder mehr Photonen sprechen, die miteinander interagieren. (Vermutlich durch Austausch eines geladenen Teilchens.) Ja, es ist theoretisch möglich, Photon-Photon-Streuung zu haben, und tatsächlich wurde sie experimentell nicht beobachtet. Darüber wird unter Forschern noch offen diskutiert.
Beispiel: Wenn Sie zwei Laser ineinander strahlen, wird keine Streuung der Lichtstrahlen beobachtet, daher muss die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit gering sein. Wenn Sie dagegen zwei Protonenstrahlen ineinander strahlen, kann beobachtet werden, dass sie interagieren (vorausgesetzt, die Strahldichte ist hoch genug usw. usw., der Punkt ist offensichtlich nuanciert).

Da ein Photon ein Paket elektromagnetischer Energie ist, muss es mit demselben Feld oder einem elektrischen oder magnetischen Feld wechselwirken. Da der Kern ein bestimmtes elektrisches Feld hat, mit dem das Feld des Photons tatsächlich interagiert, und das Ergebnis dieser Wechselwirkung ist die Paarbildung, um Energieimpuls und Ladung zu erhalten.

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