¿Cómo funciona realmente la producción de pares gamma-gamma?

La teoría cuántica de campos no ofrece una descripción de "cómo" funcionan sus procesos, al igual que la mecánica newtoniana no ofrece una explicación de "cómo" las fuerzas imparten aceleración o la relatividad general, una explicación de "cómo" la métrica del espacio-tiempo obedece a las ecuaciones de Einstein.

Las predicciones de la teoría cuántica de campos y la electrodinámica cuántica (QED) en particular, están bien probadas. Dados dos fotones de energía suficiente para producir al menos la masa en reposo de un par electrón-positrón, se encuentra que QED predice una amplitud distinta de cero para el proceso.$\gamma\gamma \to e^+ e^-$suceder Eso es todo lo que nos dice la teoría. Sin "fluctuación", sin "partículas virtuales", nada. Solo una predicción fría, dura y cuantitativa de cuán probable es tal evento.

Todas las demás cosas, por ejemplo, la descripción risible en el artículo de Wikipedia que cita, son historias , en este caso, una interpretación legible por humanos de los diagramas de Feynman utilizados para calcular la probabilidad del evento, pero no deben tomarse como la declaración real el hace la teoría cuantitativa.

No hay un "cómo", lo que sucede entre la entrada y la salida de un proceso teórico de campo cuántico es una caja negra llamada "evolución del tiempo" que no tiene una interpretación directa legible por humanos. Si lo resolvemos perturbativamente con diagramas de Feynman, a la gente le gusta contar historias de partículas virtuales, pero nadie nos obliga a hacerlo: uno puede organizar la serie de otra manera, incluso puede verse obligado a hacerlo (por ejemplo, en un acoplamiento fuerte), o uno puede no usar una serie en absoluto para calcular la probabilidad. La única respuesta no aproximada a "cómo" ocurren los procesos de dispersión en la teoría cuántica de campos que QFT tiene para ofrecer es sentarse y derivar la fórmula LSZ para las amplitudes de dispersión.desde cero, como se hace en la mayoría de los libros QFT. Lo cual, como ya puede ver en el artículo de Wikipedia, no es lo que pasa como una buena historia en la mayoría de los círculos.

Pero ni la naturaleza ni nuestros modelos de ella están obligados a producir buenas historias. Se requiere que nuestros modelos produzcan predicciones precisas , y eso es lo que hace la teoría cuántica de campos.

La física de dos fotones pasa por diagramas de orden superior. Dependiendo de la energía de los rayos gamma, incluso se prevén colisionadores gamma gamma .

Para las energías del centro de masa gamma gamma por debajo de la masa sumada de electrones y positrones, este es el diagrama de orden superior más bajo

Esto es para todos los fotones de baja energía. Se pueden contar cuatro vértices electromagnéticos que estarán multiplicando la integral con$(1/137)^{1/2}$, y el conjunto se cuadrará para obtener una sección transversal. Este será un número muy pequeño y es por eso que efectivamente para bajas energías no hay una dispersión de dos fotones medible.

Cuando el centro de energía de la masa de los dos rayos gamma entrantes es mayor que el doble de la masa del electrón, el diagrama dominante será:

Tenga en cuenta que ahora solo hay dos vértices electromagnéticos para la producción de electrones y positrones en la capa. Con fotones muy energéticos se abre un gran número de canales de creación de partículas y se espera que aumente la sección transversal de las interacciones gamma gamma.

Sin embargo, hasta donde yo sé, un fotón de 511 keV no pasa su vida transformándose mágicamente en un electrón de 511 keV y un positrón de 511 keV. Eso está en violación de la conservación de la energía. De manera similar, el electrón y el positrón no pueden volver a transformarse mágicamente en un solo fotón de 511 keV. Eso es una violación de la conservación del impulso.

No sé de dónde viene este gran error. Seguramente no de ninguno de los artículos de wiki que vinculaste, ni de nada escrito por un físico. Tanto la producción de pares como la aniquilación partícula-antipartícula son procesos físicos válidos y suceden de acuerdo con todas las leyes de conservación conocidas:

• En la aniquilación partícula-antipartícula, el producto es siempre dos o más fotones. En el marco de reposo, el electrón y el positrón tienen el siguiente impulso de 4

  $$p_{e^-}=(\sqrt{m_e^2+k^2},\vec{k})\qquad p_{e^+}=(\sqrt{m_e^2+k^2},-\vec{k})$$ y el 4-momento de los dos fotones es $$p_{\gamma_1}= (q, \vec{q})\qquad p_{\gamma_2}=(q, -\vec{q})$$ con$q=|\vec{q}|=\sqrt{m_e^2+k^2}$, por lo que la energía y el momento se conservan, y los fotones viajan a$c$mientras que los electrones son positrones son más lentos.

• En la producción del par Breit-Wheeler, la cinemática es exactamente la misma (solo hay que intercambiar los estados inicial y final), por lo que se cumplen todas las leyes de conservación.

• El término 'producción de pares' se usa con frecuencia para otro proceso, que involucra solo un fotón que se propaga a través de un medio material. El fotón se dispersa con un átomo de gran masa, por lo que puede absorber un gran impulso con un cambio insignificante de energía. Este ajuste es un ejercicio estándar de cinemática relativista y se deja como ejercicio para el lector.

En cualquier caso, el electrón y el positrón se emiten en direcciones opuestas (en el marco de reposo), por lo que no se espera que se vuelvan a encontrar. Exactamente lo mismo ocurre con los dos fotones, con la advertencia adicional de que sus caminos son mucho más difíciles de curvar. Por lo tanto, es casi imposible (si no completamente imposible) que un par de fotones oscile en un par de electrones-positrones. Supongo que su confusión proviene del diagrama de Feynman de energía propia de fotones.

Pero debe recordar que la física (real) no afirma que esas líneas internas representen algo con significado ontológico. Incluso si lees los artículos de pop-sci sobre partículas virtuales (¡no hagas eso!), te explicarán que las partículas virtuales están fuera de la cáscara, por lo que su energía y su momento son independientes y pueden conservarse.

Además de todo eso, la producción de pares seguramente no ocurre porque ocurrió la producción de pares. Espontáneamente. Como gusanos de barro. Con todo, esta explicación para la producción de parejas es lamentablemente inadecuada.

La mecánica cuántica es una teoría probabilística. Todo proceso tiene una probabilidad de ocurrir, que va de 0 (imposible) a 1 (siempre). Pero$\{0\}$es un conjunto de medida 0, por lo que es increíblemente extraño que un proceso tenga exactamente 0 probabilidad. A menos que otra cosa lo prohíba. El único "algo más" que sabemos es que alguna ley de conservación no se cumple. En palabras de Gell-Mann :

Todo lo que no está prohibido es obligatorio.

Ya hemos establecido que la producción de parejas cumple con todas las leyes de conservación. Por lo tanto, la conclusión más plausible es que la producción de pares ocurre con una probabilidad distinta de cero. (Spoiler: si haces los cálculos, descubrirás que la probabilidad es bastante alta a altas energías).

Si no está convencido de la naturaleza probabilística de la producción de pares, debe saber que el análisis de lluvias electromagnéticas (que incluyen la producción de pares) en detectores de rayos cósmicos y colisionadores de partículas consiste en una reconstrucción Monte Carlo (probabilística) de los procesos. .

Esto es lo más cercano a una respuesta a "¿ por qué ocurre la producción de pares?" que la ciencia puede ofrecerle (y la respuesta de ACuriousMind es la más cercana a una respuesta a "¿ cómo sucede?"). Lo siento si estás decepcionado. La misión de la ciencia es hacer modelos de todo lo que podemos observar o detectar. Modelos comprobables. No podemos ver la tetera de Russell , o el dragón de garaje de Sagan, o el interior de un horizonte de eventos, o lo que sucedió antes del Big Bang, o lo que sucede durante una dispersión de partículas. Ni siquiera en principio. Cualquier modelo que solo intentara explicar alguno de ellos no es comprobable y, por lo tanto, no es científico. Estaría más allá del ámbito de la física, y si sabes algo sobre etimología, "meta" significa más allá,

¿Por qué no podemos ver lo que sucede durante una interacción? La única herramienta que tenemos para explorar el mundo subatómico son los detectores de partículas, que funcionan midiendo la energía que unas partículas depositan sobre ellas. Entonces, para ser detectada, una partícula debe estar en un estado final (casi) asintótico y su energía y momento cambian drásticamente. Al medir, destruyes toda la información sobre cualquier colisión futura. Es como Aquiles, el detector de partículas que trata de perseguir la interacción de la tortuga.

¿Conoces algún método no invasivo para sondear la interacción? ¡Felicidades! ¡Te están esperando un premio Nobel y muchas becas multimillonarias!

Me gusta ofrecer una descripción física simple. Las matemáticas son perfectas para las predicciones pero no muy satisfactorias para la mente que quiere comparar todo con la lógica normal y las experiencias de la vida, y se niega rotundamente a creer que la naturaleza no está obligada a ser lógica o simple. La producción y aniquilación de parejas es un regalo de la naturaleza para ayudarnos a explicar lo que está pasando, no para complicarlo más.

El hecho de que un par de electrones y positrones puedan convertirse en radiación pura con plena eficiencia y sin pérdidas y en un proceso totalmente reversible en forma de creación de pares, nos dice que la radiación y la materia son dos fases de la misma cosa. La frase común; la condensación de radiación para crear materia es muy expresiva en este sentido. Entonces, consideremos que la radiación es materia evaporada y que la ecuación de Einstein E = mc ^ 2 describe este cambio de fase.

Sin embargo, para que la radiación y la materia sean dos fases de lo mismo, deben tener los mismos atributos, como el agua y el vapor, por ejemplo. Y de hecho este es el caso. La radiación como la materia lleva atributos mecánicos y eléctricos. Atributos mecánicos en forma de cantidad de movimiento y energía, y atributos eléctricos en forma de campos eléctricos y magnéticos. Pero no tiene una masa en reposo como la materia. Sin embargo, atrapa la radiación entre dos espejos y obtienes masa en reposo. O atraparlo haciéndolo girar en círculos cerrados para siempre, y también obtienes una masa en reposo. Esta última posibilidad es cómo la radiación se convierte en materia.

Hay muchos artículos respetables que hablan de flujos de energía circulantes dentro del electrón, como el trabajo de Hestene, por ejemplo. El proceso se parece al de la creación de un par de vórtices. Hay grandes similitudes entre los dos, que muchos han notado, y algunos incluso han intentado aplicar los operadores de creación y aniquilación de QM a la generación de vórtices en fluidos. La generación de vórtices produce un vórtice y un antivórtice, y los dos al encontrarse se aniquilan entre sí. Además, la creación de vórtices necesita un límite o una discontinuidad en el campo de flujo de fluidos para que suceda. Y en la radiación necesitas un núcleo para que ocurra la condensación. Si bien la aniquilación de vórtices no necesita un catalizador para suceder, también lo es la aniquilación de pares.

La explicación que se da es que se necesita el catalizador para conservar el impulso, lo que es cierto tanto para la creación de vórtices como de pares. Pero también es posible una explicación más matemática a esto. Un flujo de fluido libre sigue ecuaciones hiperbólicas, mientras que los vórtices siguen pdes elípticas. El catalizador es lo que ayuda a que el flujo se curve y cambie la ecuación. En la producción de pares, el núcleo es lo que ayuda a la radiación a enrollarse y convertirse en materia, ya que la radiación se describe mediante ecuaciones hiperbólicas (Maxwell), mientras que las partículas se describen mediante ecuaciones elípticas (Dirac).

Resultando del rizado de la radiación el aspecto de la masa en reposo y el resto de las demás propiedades de la materia. La masa restante es resultado del confinamiento, y con la masa también viene la gravedad. La radiación atrapada debe estar en forma de ondas estacionarias para evitar la aniquilación por interferencia destructiva (muy parecido a lo que de Broglie imaginó para el átomo). Ahora, las ondas estacionarias tienen su campo eléctrico apuntando en dos direcciones opuestas, no en una dirección como en las ondas. Al circular, la dirección se vuelve radial con una divergencia que no desaparece como resultado, o una carga eléctrica (teorema de Gauss). Sigue el espín y el momento dipolar magnético, y también sigue el tictac del reloj del electrón, el Zitterbewegung de Dirac.

Tenga en cuenta que el par creado no necesita aniquilarse y podrían escapar de las fuerzas de atracción si tuvieran suficiente energía cinética. Incluso pueden atraparse mutuamente en movimiento como en el inestable positronio, que tiene todas las características de un átomo. En condiciones más favorables, también se podrían crear masas más altas. El neutrón siendo inestable cuando está libre pero estable dentro de un núcleo podría ser el ejemplo paralelo.

Si bien los científicos han observado fotones chocando entre sí y "creando" materia, solo estamos observando la materia después de que los fotones chocan, realmente no sabemos qué está sucediendo, pero podemos observar la materia que parece aparecer mágicamente. No podemos ver que los pequeños y los científicos pueden dibujar diagramas de fotones que chocan con muchas flechas elegantes y decir "sí, hicimos materia".

¿Qué está pasando realmente?

Los científicos han elaborado imágenes como estas para explicar la colisión de rayos gamma que crean partículas como estas.

Existe evidencia de esto en las cámaras de burbujas porque esto es lo que podemos ver. Los rayos gamma que chocan se convierten en materia. Maricón.

Veamos la aniquilación de electrones y positrones para empezar.

Arriba podemos ver un electrón y un positrón volando uno hacia el otro a punto de chocar. Este par pronto se convertirá en rayos gamma. Bien, no mal!

¿Cómo ocurre exactamente esto? Los textos científicos estándar guardan silencio sobre la cuestión; solo informando que sucede, pero sin dar ninguna explicación de los posibles mecanismos involucrados. Desafortunadamente, esto no es muy útil. Lo que necesitamos es una versión en cámara lenta de los acontecimientos, en particular lo que sucede en el momento en que las partículas 'hacen contacto'. No hay forma de ver nada en una escala tan pequeña. Lo mejor que podemos hacer es mirar la evidencia disponible y especular sobre lo que podría estar sucediendo. Idealmente, esta especulación debería ser algo que tenga sentido en términos de un modelo clásico. Con eso en mente, la siguiente es una versión de lo que podría estar sucediendo.

Mirada de cerca:

En este punto, parece que el proceso se repetirá, una y otra vez. Básicamente, las partículas oscilarán entre sí, como si estuvieran conectadas a través de un resorte. ¿Continuará la oscilación para siempre? Esto parece ser un sistema sin fricción. Da la casualidad de que no oscilarán para siempre. La VDCL (Ley de Coulomb Dependiente de la Velocidad) nos dice que a medida que las partículas con cargas opuestas se mueven juntas, la fuerza entre ellas disminuye. A medida que se separan, la fuerza aumenta. Esto actúa efectivamente como una forma de amortiguación que detendrá lentamente la oscilación.

Eventualmente deja de moverse.

Una vez que se han detenido las oscilaciones, nos queda una especie de partícula fantasma. Tiene el doble de la masa de un electrón pero, lo que es más importante, una carga de cero.

No hace falta decir que una partícula sin carga no tendrá mucho impacto en nada, ni será impactada por nada. A todos los efectos prácticos, bien podría no existir. Y ese es solo el punto. En términos eléctricos, esta partícula compuesta es efectivamente invisible. Después de todo, el electrón y el positrón no han sido aniquilados. Todavía están allí.

Otra cita,

Hay otro aspecto del proceso de extinción que necesita explicación y es la emisión de fotones. Para entender esto, considere las transmisiones de radio. Sabemos que cuando haces oscilar electrones en una antena, se producen ondas de radio, que son solo ondas electromagnéticas de baja frecuencia. ¿Qué pasaría si esa antena contuviera tanto electrones como positrones, y oscilaran en direcciones opuestas? En lugar de cancelar la señal del otro, los dos conjuntos de cargas se combinarían para producir una onda del doble de amplitud. Ahora observe nuevamente la interacción electrón-positrón. Están oscilando entre sí, al igual que en la antena. Por lo tanto, también deberíamos esperar que produzcan una onda electromagnética. En este caso, la frecuencia sería mucho mayor debido a la naturaleza ligera de las partículas involucradas. Incluso puede ser tan alto como para estar en el espectro de rayos gamma. Así, la explicación más probable para la emisión de fotones es que la breve interacción oscilante entre estas partículas produce una onda electromagnética, o más correctamente dos ondas (una para cada partícula), que tienen frecuencias en el espectro de rayos gamma.

Entonces, en conclusión, para crear luz (energía) a partir de la materia, no podemos. Lo que realmente sucede es que las oscilaciones de positrones y electrones a altas velocidades crean estos rayos gamma.

Entonces, ahora que sabemos que no podemos convertir la materia en energía, ¿cómo sabemos que no podemos convertir la energía en materia?

¿Cómo convertimos la energía en materia? Los científicos saben (o creen que saben) que es posible.

En aras de la discusión, llamemos a esta partícula compuesta de positrones y electrones un 'poseltrón'. ¿Hay alguna manera de que un poseltron se deshaga, es decir, se rompa en sus partículas constituyentes? Un método sería exponerlo a un fuerte campo eléctrico que polarizara las partículas componentes y las separara. Pero tendría que ser extremadamente fuerte porque el positrón y el electrón están en contacto directo.

Entonces, si sacudiste las dos partículas juntas, es posible que las separes. Si ocurren reacciones como esta, es probable que un rayo gamma acelerado pueda golpear fácilmente un poseltron y sacudirlo.

Los poseltrones vibran a la frecuencia de los rayos gamma, ¿no tiene sentido que esa misma frecuencia los haga vibrar para separarlos?

Digamos que existen poseltrones, pero piénselo, con qué frecuencia un electrón se encontrará con un positrón. No muy a menudo, por lo que si existen, probablemente estén muy extendidos.

La baja densidad de poseltrones en la naturaleza también explicaría por qué los pares electrón-positrón solo se crean ocasionalmente: es necesario que exista un poseltrón antes de que pueda ocurrir la conversión. Según el modelo científico actual, un fotón con suficiente energía puede convertirse en un par electrón-positrón, pero lo haría sin razón aparente, es decir, al azar sin causa y efecto. Este modelo desafía el sentido común.

Otra razón por la que existen los "poseltrones",

Hay otra forma en la que se pueden crear positrones, y es a través de un proceso conocido como 'conversión de protones'. Cuando el sodio-22, un isótopo inestable de sodio, se desintegra, se convierte en neón-22. Cuando hace esto, también libera un positrón y un rayo gamma.

La teoría de Standered nos dice que hay dos medios de conversión de protones. Aquel en el que un protón y un electrón forman un neutrón. El otro en el que se crea un par electrón-positrón seguido de la absorción del electrón y la expulsión del positrón. Cuando lo piensas, la segunda media de conversión de protones es más probable en este caso. Mientras que los protones y los electrones probablemente puedan unirse. De acuerdo con las teorías actuales, el sodio-22 puede mágicamente, de la nada, crear este par de electrones y positrones y convierte uno de sus protones en un neutrón. Digamos que esto es cierto, ¿de dónde viene toda esa energía que necesitas para crear el par de electrones y positrones? El núcleo no puede crearlo a menos que tenga una fuente externa de energía.

Entonces, ¿qué está pasando realmente?

Primero, un poseltron se desplaza hacia las nucleas del átomo de sodio-22.

El movimiento causado por fuertes fuerzas en el núcleo de los átomos desgarra el poseltrón en un electrón y un positrón. El electrón es absorbido por el protón y se convierte en un neutrón. El positrón es expulsado debido a su carga positiva y agarra un electrón al salir o se queda como positrón. Los rayos gamma son generados por las oscilaciones de ruptura del poseltron.

Así que en conclusión,

Un electrón y un positrón chocan, se encuentran y se atraviesan generando rayos gamma y luego forman un poseltrón de carga cero indetectable. Es prácticamente invisible.

Científicos: "sí, creamos energía a partir de la materia"

Toda esa materia sigue ahí, la energía que crearon son campos electromagnéticos creados por oscilación.

Algunos rayos gamma chocan con un poseltron por casualidad, hacen que se agite y rompa las dos partículas. Al mismo tiempo, parte de esta energía ha sido absorbida por las partículas.

Científico: "sí, creamos materia a partir de la energía, somos tan inteligentes"

En realidad, no se ha hecho nada, el asunto volvió a ser visible nuevamente.

Por lo tanto, la conservación de la masa y la conservación de la energía no se han roto y el universo vuelve a tener sentido. Hurra

Lo siento por los errores ortográficos, esto es tan largo que el corrector ortográfico acaba de morir. ;)