Kreacja par

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Kreacja par (tworzenie par) – proces powstania pary cząstka-antycząstka z energii fotonu (lub innego neutralnego bozonu), jest procesem odwrotnym do anihilacji.

Wyróżnia się dwie odmiany kreacji par: trwałą i wirtualną.

Trwała kreacja cząstek[edytuj | edytuj kod]

Kreacja pary cząstka-antycząstka jest trwała, czyli powstałe cząstki istnieją po akcie kreacji dowolnie długo. W procesie takiej kreacji spełniona jest zasada zachowania energii, pędu i inne zasady zachowania. Zdarzenia takie można obserwować w procesach, w których oddziałujące cząstki mają dostatecznie wysoką energię, czyli np. w oddziaływaniu promieniowania kosmicznego z cząstkami atmosfery czy w akceleratorach.

Przykładem jest powstanie pary mion-antymion w wyniku zderzenia elektron-pozyton:

e^{-} + e^{+} \rightarrow \gamma \rightarrow \mu ^{+} + \mu^{-}

Pojawiający się w tej reakcji foton nie jest rzeczywistą cząstką – jest wirtualny, ponieważ przenosi pęd nie spełniający zasady zachowania pędu, co jest jednak zgodne z elektrodynamiką kwantową. Pary cząstek mogą powstawać nie tylko z fotonów, ale również z bozonów Z0, jednak jest to proces występujący znacznie rzadziej. Gluony mogą również kreować pary, jednak w tym przypadku możliwa jest tylko kreacja par kwark-antykwark, z uwagi na niezerowy ładunek kolorowy niesiony przez gluony.

Możliwa jest też kreacja rzeczywistych par cząstek naładowanych przez rzeczywiste fotony, pod dwoma warunkami

  1. energia fotonu musi być wyższa, niż suma mas kreowanych cząstek,
  2. w procesie uczestniczy dodatkowy obiekt, który przejmie nadmiar pędu, tak by spełnione były zasady zachowania pędu i energii.
Schemat kreacji pary elektron-pozyton

W praktyce kreacja par przez rzeczywiste fotony zachodzi zwykle w silnym zewnętrznym polu elektrycznym, najczęściej w polu jądra atomowego. Jądro (ogólniej źródło pola zewnętrznego) jest wówczas obiektem przejmującym nadmiar pędu. Przekrój czynny na taki proces rośnie szybko z ładunkiem elektrycznym jądra, czyli najłatwiej zachodzi on w ośrodku materialnym zawierającym duże ilości pierwiastków ciężkich.

Prawdopodobieństwo zajścia procesu kreacji pary jest proporcjonalne do odwrotności kwadratu masy kreowanych cząstek. Oznacza to, że nawet jeżeli energia początkowa fotonu wystarcza na produkcję cząstek cięższych, zdecydowanie najczęściej produkowane są pary najlżejszych cząstek naładowanych, czyli pary elektron-pozyton. Zjawisko kreacji pary elektron-pozyton przez rzeczywisty foton w ośrodku materialnym bywa nazywane konwersją fotonu.

Kreacja cząstek wirtualnych[edytuj | edytuj kod]

Zasada nieoznaczoności pozwala na krótkotrwałe pojawienie się energii, która może wystąpić w postaci pary cząstka-antycząstka. Taka wirtualna para cząstek żyje przez czas ograniczony zasadą nieoznaczoności w postaci:

\Delta t \Delta E \leqslant h

gdzie:

  • Δt – czas na jaki pojawia się energia
  • ΔE – ilość pojawiającej się energii
  • hstała Plancka

Z powyższego wzoru wynika, że im masywniejsze są wirtualne cząstki, tym krócej żyją. Istnienie wirtualnych cząstek wyjaśnia niektóre zjawiska kwantowe.

Doświadczalne występowania cząstek wirtualnych[edytuj | edytuj kod]

Nie istnieje możliwość bezpośredniej obserwacji powstających par wirtualnych cząstek, jednak istnieją pośrednie dowody zachodzenia tego zjawiska: