Рождение пар

Рождение пар — в физике элементарных частиц обратный аннигиляции процесс, в котором возникают пары частица-античастица (реальные или виртуальные). Для появления реальной пары частиц закон сохранения энергии требует, чтобы энергия, затраченная в этом процессе, превышала удвоенную массу частицы: $E_p=2mc^2.$ Минимальная энергия $E_p,$ необходимая для рождения пары данного типа, называется порогом рождения пар. Кроме того, для рождения реальной пары необходимо выполнение других законов сохранения, применимых к данному процессу. Так, законом сохранения импульса запрещено рождение в вакууме реальной электрон-позитронной пары (или пары любых других массивных частиц) одним фотоном, поскольку единичный фотон в любой системе отсчёта несёт конечный импульс, а электрон-позитронная пара в своей системе центра масс обладает нулевым импульсом. Однако виртуальные пары любых частиц могут появляться и в таком процессе; в частности, именно рождение виртуальных пар в вакууме обуславливает такие эффекты, как поляризация вакуума, лэмбовский сдвиг уровней или излучение Хокинга. В ускоренной системе отсчёта виртуальная пара может обратиться в реальную (см. Эффект Унру).

Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта с электромагнитным полем ядра (в сущности, с виртуальным фотоном) является преобладающим процессом потери энергии гамма-квантов в веществе при энергиях выше 3 МэВ (при более низких энергиях действуют в основном комптоновское рассеяние и фотоэффект, при энергиях ниже E_p=1,022 МэВ рождение пар вообще отсутствует). Вероятность рождения пары в таком процессе пропорциональна квадрату заряда ядра.

Рождение электрон-позитронных пар гамма-квантами (в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле для разделения треков электрона и позитрона) впервые наблюдали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1933, а также Патрик Блэкетт, получивший в 1948 за это и другие открытия Нобелевскую премию по физике.

Рождение электрон-позитронных пар в электрическом поле

Сильное электрическое поле способно генерировать электронно-позитронные пары. Интенсивность генерации электронно-позитронных пар зависит от интенсивности поля, а не от его частоты. Под влиянием статического электрического поля потенциальный барьер, отделяющий позитроны в море Дирака от электронов, приобретает треугольную форму. Швингер нашёл формулу для вероятности образования электрон-позитронных пар в единице объёма за единицу времени, то есть интенсивности рождения пар: $w=\frac{c e^{2} E^{2}}{4 \pi^{3} \hbar^{2}} \exp \left \{-\frac{E_{kp}}{E}\right \}$, где $E_{kp}=\frac{\pi m^{2} c^{3}}{\hbar e}$ - критическое значение напряжённости поля. Эффективность рождения пар экспоненциально мала. Чтобы эффект был заметным, необходимы очень большие напряжённости поля $E_{kp} \sim 10^{16}$ В/см. Напряжённость поля на боровской орбите атома водорода $E_{at} \sim 10^{9}$ В/см.

Лазерные импульсы

В мощных лазерных импульсах можно получить электромагнитные поля релятивистских напряжённостей. В настоящее время удаётся получить поток мощности до $10^{19}$ Вт/см2 при длительности импульса порядка нескольких фемтосекунд (1 фс = $10^{-15}$с). В таких полях с помощью линз можно создать напряжённости электрического поля, близкие к $E_{kp}$. Таким образом возможна прямая экспериментальная проверка эффекта вакуумного рождения электрон-позитронных пар.

Столкновения релятивистских тяжёлых ионов

Если суммарный заряд сталкивающихся ионов превысит критическое значение, то на короткое время возникнет необходимое по величине электрическое поле и произойдёт генерация нескольких электрон-позитронных пар.

Литература

• Герштейн С.С. Теория относительности и квантовая механика открывают мир античастиц // Соросовский Образовательный Журнал, 1998, № 9, С. 79-85.
• Смолянский С.А. Вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях. // Соросовский образовательный журнал, 2001, № 2, с. 69-75;
• Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1988. (Б-ка "Квант"; Вып. 67).
• Киржниц Д.А., Линде А.Д. Фазовые превращения в микромире и во Вселенной // Природа. 1979. № 11. С. 20-30.
• Попов В.С. Квантовая электродинамика сверхсильных полей // Природа. 1981. № 10. С. 14.
• Smolyansky S. A., Ropke G., Schmidt S. et al. Dynamical Derivation of a Quantum Kinetic Equation for Particles Production in the Schwinger Mechanism // GSI Report 97-72; Int. J. Mod. Phys. 1998. Vol. E7. P. 709.
• Schmidt S., Blashke D., Ropke G. et al. Non-Markovian Effects in Strong-Field Pair Creation // Phys. Rev. D. 1999. Vol. 59. P. 094005.
• Bloch J.C.R., Mizerny V.A., Prozorkevich A.V. et al. Pair Creation: Back-Reaction and Damping // Ibid. Vol. 60. P.1160011.