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Antes de llegar a la respuesta real, hay algo que debe aclararse sobre la reacción, ya que la ha escrito. La reacción $ gamma to e ^ – + e ^ + $ es no una reacción válida, porque viola la conservación del impulso. Para ver esto, considere un fotón con energía. $ 2m_e $. Ya que $ 2m_e $ es precisamente la energía de un par electrón-positrón en reposo, el momento del sistema es cero después de la producción del par. Pero como la energía del fotón inicial era distinta de cero, el momento del fotón también era distinto de cero. El impulso del fotón no es igual al impulso total del par electrón-positrón, por lo que esta reacción no puede ocurrir como se indica (este argumento también funciona cuando la energía del fotón es mayor que $ 2m_e $, es más sencillo de ver en este caso especial en particular).
Para ver cómo la producción de pares Realmente funciona, veamos la reacción inversa: aniquilación electrón-positrón, que es la reacción $ e ^ – + e ^ + to gamma + gamma $. Puede ver que, a diferencia del proceso que describió, dos los fotones son producidos por un par electrón-positrón aniquilante. Esto significa que no hay ningún problema de conservación de la cantidad de movimiento incluso cuando el electrón y el positrón se aniquilan en reposo; los dos fotones tienen la misma energía y se alejan del vértice espalda con espalda, por lo que el impulso total antes y después de la aniquilación es cero.
Dado que la electrodinámica cuántica es invariante en la inversión del tiempo, la reacción para la producción de pares debería verse como la inversa de la reacción para la aniquilación electrón-positrón. Por lo tanto, la real El proceso para la producción de pares es $ gamma + gamma to e ^ – + e ^ + $. Pero esta no es la forma en que generalmente se describe la producción de pares (la gente generalmente habla de un solo fotón que produce un par partícula-antipartícula). ¿Por qué es esto?
La respuesta es que el segundo fotón suele ser un virtual fotón, una herramienta matemática utilizada para describir la interacción de una de las cargas producidas con alguna otra carga cercana. La producción de pares no puede ocurrir espontáneamente en un vacío completo. Tiene que haber algún otro objeto cargado en algún lugar del universo que pueda llevar a cabo la diferencia de momento entre el fotón inicial y el par electrón-positrón. A continuación, se muestra un diagrama de ejemplo de este proceso:
Afortunadamente, incluso en el espacio intergaláctico, todavía hay al menos una cierta cantidad de carga flotando, por lo que esto generalmente no es una preocupación y, como resultado, tendemos a omitir el otro fotón virtual cuando hablamos coloquialmente de la producción de pares.
Dicho esto, aquí se hacen dos preguntas esencialmente no relacionadas:
¿Se puede producir un par protón-antiprotón a partir de un fotón de forma análoga a la producción de un par electrón-positrón?
La respuesta a esto es sí, definitivamente es posible. Todo lo que necesitarías es un fotón con energía mayor que $ 2m_p $, que es aproximadamente 1.876 GeV, y habría alguna posibilidad de que suceda. Sin embargo, un fotón con energía tan alta también puede producir un par partícula-antipartícula de Cualquier cosa con componentes cargados eléctricamente que sea más liviano que un protón., que incluye electrones y muchos tipos de mesones (por ejemplo, piones). Por lo tanto, no se le garantizaría ver la producción de pares protón-antiprotón para un solo fotón dado de esta energía o superior, pero si tuviera suficientes, eventualmente vería que se produce el proceso que describió (se aplican las mismas advertencias: usted no puede hacer esto en un universo vacío, una de las partículas producidas tiene que intercambiar un fotón virtual con alguna carga externa). Este proceso tiende a ser muy raro simplemente porque en realidad no existen procesos naturales que generen fotones que tengan energías tan altas.
¿Cómo se producen los pares protón-antiprotón?
Probablemente el mecanismo más común, tanto en la generación de antimateria de rayos cósmicos como en el laboratorio, es dispersión inelástica de un protón de un núcleo, $ p + A ap + bar p + p + A $. Para protones de rayos cósmicos, $ A $ es típicamente un núcleo en el medio interestelar. Para protones de laboratorio, $ A $ es típicamente un núcleo en algún tipo de objetivo de colisión en una línea de luz de acelerador.
Una regla básica sobre la producción de antipartículas es que los números cuánticos deben conservarse, lo que significa número de bariones, número de leptones, extrañeza … Esto significa que, además de los métodos descritos por probablemente_alguien, experimentos de colisionador de e + e- y los futuros discutidos sobre colisiones gamma gamma producen predominantemente pares de partículas de antipartículas de todo tipo, desde hadrones hasta leptones, en la medida en que la conservación de energía lo permita. Por supuesto, los colisionadores de protones y antiprotones también hicieron eso (¡pero los antiprotones ya están allí!)
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