Parien syntymä

Parien syntyminen on alkuainehiukkasfysiikassa käänteinen tuhoutumisprosessi , jossa syntyy hiukkas- antihiukkaspareja (todellisia tai virtuaalisia ). Todellisen hiukkasparin ilmaantumiseksi energiansäästölaki edellyttää, että tässä prosessissa käytetty energia ylittää kaksi kertaa hiukkasen massan: Tämän tyyppisen parin luomiseen vaadittavaa vähimmäisenergiaa kutsutaan parin tuotantokynnykseksi . Lisäksi todellisen parin syntymiseksi on täytettävä muut tähän prosessiin sovellettavat suojelulakit. Näin ollen liikemäärän säilymislaki kieltää todellisen elektroni - positroniparin (tai minkä tahansa muun massiivinen hiukkasparin) synnyn yhdeltä fotonilta tyhjiössä , koska yksi fotoni missä tahansa vertailukehyksessä kuljettaa äärellisen liikemäärän ja elektroni -positroniparilla sen massakeskusjärjestelmässä on nolla liikemäärä. Jotta parien muodostuminen tapahtuisi, on välttämätöntä, että fotoni on ytimen tai massiivisen varautuneen hiukkasen kentässä. Tämä prosessi tapahtuu alueella, jonka elektronin Compton-aallonpituus on λ = 2,4⋅10 −10 cm [1] (tai raskaampien hiukkasparien, esimerkiksi myonien μ + μ − muodostuessa , niiden Compton-aallonpituuden koko). $E_{p}=2 mc^{2}.$ $E_{p},$

Elektroni-positroniparien muodostuminen gammasäteen vuorovaikutuksessa ytimen sähkömagneettisen kentän kanssa (pohjimmiltaan virtuaalisen fotonin kanssa) on hallitseva prosessi gamma-kvanttien energiahäviössä aineessa yli 3 MeV :n energioissa (alemmilla). energiat, pääasiassa Compton-sironta ja valosähköinen vaikutus vaikuttavat , kun energioissa alle E p = 2 me c 2 = 1,022 MeV , parituotantoa ei synny ollenkaan). Parin muodostumisen todennäköisyys tällaisessa prosessissa on verrannollinen ydinvarauksen neliöön.

Irene ja Frederic Joliot-Curie havaitsivat ensimmäisenä vuonna 1933 elektroni-positroniparien luomisen gamma-kvanttien avulla ( magneettikenttään sijoitetussa pilvikammiossa elektronin ja positroniradan erottamiseksi) sekä Patrick Blackett , joka sai Nobel - palkinnon vuonna tästä ja muista fysiikan löydöistä1948 .

Elektroni-positroniparien luominen sähkökentässä

Vahva sähkökenttä pystyy muodostamaan elektroni-positroniparia. Elektroni-positroni-parien muodostumisen intensiteetti riippuu kentänvoimakkuudesta , ei sen taajuudesta. Staattisen sähkökentän vaikutuksesta Dirac-meren positroneja elektroneista erottava potentiaalieste saa kolmion muodon. Schwinger löysi kaavan elektroni-positroniparien muodostumisen todennäköisyydelle tilavuusyksikköä kohti aikayksikköä kohti, eli parin muodostuksen intensiteetille: , missä on kentänvoimakkuuden kriittinen arvo. Parituotannon tehokkuus laskee eksponentiaalisesti intensiteetin pienentyessä. Jotta vaikutus olisi havaittavissa, vaaditaan erittäin suuria kenttävoimakkuuksia V/cm. Kentänvoimakkuus vetyatomin Bohrin kiertoradalla V/cm. $w={\frac {ce^{{2}}E^{{2}}}{4\pi ^{{3}}\hbar ^{{2}}}}\exp \left(-{\frac {E_{{kp}}}{E}}\oikea)$ $E_{{kp))={\frac {\pi m^{{2}}c^{{3}}}{\hbar e}}$ $E_{{kp}}\sim 10^{{16}}$ $E_{{at}}\sim 10^{{9}}$

Laserpulssit

Tehokkaissa laserpulsseissa voidaan saada relativistisia sähkömagneettisia kenttiä. Tällä hetkellä on mahdollista saavuttaa jopa 10 22 W/cm² tehovirta useiden femtosekuntien luokkaa olevalla pulssin kestolla ( 1 fs = 10 −15 s ). Tällaisissa kentissä voidaan linssien avulla luoda sähkökenttävoimakkuuksia lähellä , jolloin elektroni-positroniparien tyhjiötuotannon vaikutuksen suora kokeellinen todentaminen on mahdollista. $E_{{kp}}.$

Relativististen raskaiden ionien törmäykset

Riittävä sähkökentän voimakkuus saavutetaan lähellä pintaa superraskaissa ytimissä, joiden varaus on Z > 1/α ≈ 140 , missä α on hienorakennevakio . Alemmassa, ns. K-kuoressa olevan elektronin sitoutumisenergia atomissa, jonka ydinvaraus on Z ≈ 150 , on yhtä suuri kuin elektronin massa, ja kohdassa Z ≈ 172 se on kaksi kertaa elektronin massa, että on kynnys elektroni-positroni-parien luomiselle E p = 2 m e c 2 = 1,022 MeV . [2] Luonnossa ei ole tällaisia varauksia sisältäviä ytimiä, mutta niitä syntyy hetkellisesti raskaiden ionien törmäyksissä kokeissa, joiden tarkoituksena on etsiä superraskaita alkuaineita . Jos törmäävien ionien kokonaisvaraus ylittää kriittisen arvon, syntyy hetken aikaa ennen yhdisteytimen hajoamista sähkökenttä, joka riittää spontaanin todellisen elektroni-positroniparin muodostumiseen. Virtuaalisen elektroni-positroniparin elektroni on itse asiassa potentiaalikuolassa , jonka syvyys on E p . Kun sen lähelle ilmestyy toinen saman tai suuremman syvyyspotentiaalinen kaivo (K-kuori lähellä superraskasta yhdisteydintä), on mahdollista muuttaa virtuaalipari todelliseksi. Potentiaaliesteen läpi tunneloitunut elektroni ottaa tyhjän paikan K-kuoressa ja positroni menee äärettömyyteen.

Elektroni-positroniparien luominen gravitaatiokentässä

Elektroni-positroniparit pystyvät teoriassa generoimaan gravitaatiokentän, sekä muuttuvan että vakion. Tällaisia prosesseja ei ole vielä havaittu kokeellisesti.

Parien luominen gravitaatioaallon avulla

Muuttuvan gravitaatiokentän ( gravitaatioaallon ) parin muodostuskynnys on , jossa on gravitaatioaallon taajuus, on elektronin massa ja positroni on valon nopeus. Alkuainehiukkasparien syntymisellä muuttuvan gravitaatiokentän vaikutuksesta voi olla suuri rooli kosmologiassa [3] [4] . ${\displaystyle \hbar \omega =mc^{2))$ $\omega$ $m$ $c$

Parituotanto staattisessa gravitaatiokentässä

Vakio gravitaatiokentän on oltava epäyhtenäinen, jotta se voi muodostaa pareja. Pariskunnat voivat syntyä vain vuorovesivaikutuksen vuoksi. Virtuaaliparissa elektroniin ja positroniin vaikuttavien voimien ero (vuorovesivaikutus) on missä on gravitaatiokentän aiheuttama kiihtyvyys, on Comptonin aallonpituus ja se on gravitaatiokentän epähomogeenisuuden tunnusomainen asteikko. Parin muodostuskynnys: Pallomaiselle pyörimättömälle massalle , joka on riittävän suurella etäisyydellä r siitä, kiihtyvyys- ja parinmuodostusehto saa muotoa Se voidaan kirjoittaa missä on gravitaatiosäde. Energia, joka tarvitaan yhden hiukkasen pakoon syntyvästä parista, johtuu toisen hiukkasen imeytymisestä mustaan aukkoon. Gravitaatiokentässä, jossa on kiihtyvyys, elektroni-positronipari hankkii energiaa ominaisetäisyydellä . Tämä energia vastaa lämpötilaa. Elektroni-positroniparit syntyvät, jos eli klo If , parin muodostumisen todennäköisyys pienenee kertoimella [5] [6] ${\frac {mgL_{C}}{L)),$ $g$ $L_{C}={\frac {\hbar }{mc))$ $L$ $({\frac {mgL_{C}}{L)))L_{C}\sim mc^{2}.$ $M$ $g={\frac {GM}{r^{2}}},$ $L\sim r$ $GML_{C}^{2}r^{-3}\sim c^{2}.$ $r\sim \left({\frac {L_{C}^{2}GM}{c^{2}}}\oikea)^{\frac {1}{3}}\sim \left( L_{C}^{2}R_{G}\right)^{\frac {1}{3)),$ ${\displaystyle R_{G}={\frac {2GM}{c^{2))))$ ${\displaystyle g\sim {\frac {GM}{R_{G}^{2))))$ $L_{C}={\frac {\hbar }{mc))$ $E\sim {\frac {GMmL_{C}}{R_{G}^{2}}}\sim {\frac {\hbar GM}{R_{G}^{2}c}}={ \frac {\hbar c^{3}}{4GM}}.$ $T\sim {\frac {\hbar c^{3}}{4k_{B}GM}}.$ $k_{B}T\sim mc^{2},$ $R_{G}\sim {\frac {\hbar }{mc)).$ $R_{G}\gg {\frac {\hbar }{mc)),$ ${\displaystyle e^{-{\frac {E}{k_{B}T))))$

Kirjallisuus

Gershtein S. S. Suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka avaavat antihiukkasten maailman // Soros Educational Journal , 1998, nro 9, s. 79-85.
Smolyansky SA Hiukkasten tyhjiötuotanto vahvoissa sähkömagneettisissa kentissä. // Soros Educational Journal , 2001, nro 2, s. 69-75;
Zel'dovich Ya. B. , Khlopov M. Yu. Ideoiden draama luonnon tuntemisessa. M.: Nauka, 1988. ( B-ka "Quantum" ; numero 67).
Kirzhnits D. A. , Linde A. D. Vaihemuutokset mikrokosmuksessa ja maailmankaikkeudessa // Priroda . 1979. Nro 11. S. 20-30.
Popov VS Supervahvojen kenttien kvanttielektrodynamiikka // Priroda . 1981. Nro 10. S. 14.
Smolyansky SA, Ropke G., Schmidt S. et ai. Kvanttikineettisen yhtälön dynaaminen johtaminen hiukkasten tuotannolle Schwinger-mekanismissa // GSI-raportti 97-72; Int. J. Mod. Phys. 1998 Voi. E7. s. 709.
Schmidt S., Blashke D., Ropke G. et ai. Ei-Markovilaiset vaikutukset vahvan kenttäparin luomisessa // Phys. Rev. D. 1999. Voi. 59. P. 094005.
Bloch JCR, Mizerny VA, Prozorkevich AV et ai. Parin luominen: vastareaktio ja vaimennus // Phys. Rev. D. 1999. Voi. 60. P. 1160011.
Narozhny N. B., Fedotov A. M. Kvanttielektrodynaamiset kaskadit intensiivisessä laserkentässä // Phys . - 2015. - T. 185 . - S. 103 . - doi : 10.3367/UFNr.0185.201501i.0103 . (Venäjän kieli)

Muistiinpanot

↑ Murzina E. A. Korkeaenergisen säteilyn vuorovaikutus aineen kanssa. Luku 3. Fotonien vuorovaikutus aineen kanssa. Kohta 3.4. Elektroni-positroniparin syntymä . Haettu 14. maaliskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 15. maaliskuuta 2017. (määrätön)
↑ J. Reinhardt, U. Müller, B. Müller, W. Greiner. Tyhjiön hajoaminen superraskaiden ydinjärjestelmien alalla // Zeitschrift für Physik A: Atoms and Nuclei. - 1981. - Voi. 303 – Iss. 3 . - s. 173-188.
↑ Zeldovich Ya. B. , Novikov I. D. Universumin rakenne ja evoluutio. - M., Nauka, 1975.
↑ Grib A. A. , Mamaev S. G., Mostepanenko V. M. Kvanttiefektit intensiivisissä ulkoisissa kentissä. - M., Atomizdat, 1980.
↑ Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Tyhjiö tasaisessa gravitaatiokentässä ja tasaisesti kiihdytetyn ilmaisimen viritys // Einsteinin kokoelma 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Levikki 2600 kpl. - S. 190-278
↑ Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Tyhjiö tasaisessa gravitaatiokentässä ja tasaisesti kiihdytetyn ilmaisimen viritys Arkistokopio päivätty 9. toukokuuta 2018 Wayback Machinessa // UFN , 1987, v. 153, s. 633-674