¿Es reversible el tiempo de aniquilación electrón-positrón?

Considere que un electrón y un positrón de baja energía se aniquilan creando dos fotones de 511 keV sin otras partículas alrededor. Para invertir el tiempo de este proceso, enviamos dos fotones de 511 eV para que colisionen con la esperanza de que produzcan un par electrón/positrón.

Sin embargo, los fotones no interactúan entre sí, al menos no a energías tan bajas. En lugar de chocar, simplemente se ignoran y siguen adelante.

La imagen cambia cuando hay otras partículas involucradas, pero entonces no sería exactamente la inversión temporal de la aniquilación descrita anteriormente, sino una inversión temporal de un proceso diferente que involucra a otras partículas.

Si cruzo haces de electrones y positrones, tendría fuegos artificiales con la mayoría de las partículas probablemente aniquiladas en rayos gamma. Sin embargo, si cruzo dos haces de rayos gamma de 511 keV en el vacío, no pasa nada. Simplemente pasan uno a través del otro sin interacción alguna. No se crearía un solo par electrón/positrón para detectar.

Entonces, ¿el tiempo de aniquilación es reversible? ¿Si es así, entonces cómo? Si no, ¿no violaría alguna simetría fundamental de la naturaleza?

Tengo una nueva pregunta sobre los agujeros negros, ¿puedes echarle un vistazo si es correcta?: physics.stackexchange.com/questions/710750/…

Respuestas (2)

La respuesta de @anna es acertada: en igualdad de condiciones, esperaríamos una inversión de tiempo completa e inequívoca.

No puedo explicar adecuadamente por qué "la producción directa es difícil", como se invita, porque en realidad es una cuestión experimental , no una cuestión de principios: es extremadamente difícil producir haces de fotones de 0,51 MeV, pero no tengo una comprensión global de los problemas de física del haz.

Por el lado de la teoría, normalmente se supone que QED, que es T invariante , se cumple, y no ha habido nada durante más de 70 años que sugiera lo contrario; ¡y no para las personas que no se esfuerzan lo suficiente! Como se señaló, todos los experimentos indirectos para determinar la σ γ γ mi + mi La sección transversal concuerda como se esperaba con las predicciones teóricas de QED a alta energía. Los protones que chocan realmente no estropean el vacío, son solo sumideros distantes del impulso necesario en la producción de fotones individuales, por lo que aceleran la producción de los γ en colisión.

Los fotones casi reales también pueden ser emitidos por ambos protones, con una variedad de estados finales producidos. En estos procesos, la colisión pp puede considerarse como una colisión fotón-fotón (γγ).

A esas altas energías donde la masa del electrón no importa mucho, esta sección transversal es cercana a la inversa en el tiempo, ecuación (48.8) del PDG ,

d σ mi + mi γ γ d Ω = α 2 ( tu 2 + t 2 ) 2 s t tu .
Pero estas son altas energías, efectivamente cientos de miles de veces más altas que el umbral de reacción que está visualizando; y, como era de esperar, mucho más raro por aproximadamente el cuadrado de eso, ya que la sección transversal es inversamente proporcional a s . El artículo astronómico que anna cita , ecuaciones (5,6), parece coincidir aproximadamente con esto, aunque no he verificado cada minuto de conversión a las convenciones PDG y las normalizaciones de espacio de fase de sección transversal. (Los factores de espacio de fase aseguran que está juntando tantos pares e+e- como γγ s, de lo contrario, tendría un problema de estadísticas T-asimétricas, llámelo entropía si lo desea, y por lo tanto no hay igualdad de condiciones. El crucial El punto es que las amplitudes QED microscópicas son completa, inequívoca e incuestionablemente T-simétrica).

Entonces, para resumir, esperaría un número igual de tales reacciones, si solo pudiera producir haces limpios de densidad de fotones comparables que chocan entre sí. Producir haces controlados de fotones puros de alta energía es extremadamente difícil, pero entiendo que están llegando allí; la referencia del colisionador de fotones de anna sugiere mi γ pico previsto a 200 GeV. Es sólo una cuestión de tiempo y financiación. Sin embargo, como se disculpó, soy la persona equivocada para preguntar sobre estos problemas prácticos...

¡Gracias por tu percepción! +1
Aparte de razones puramente prácticas, ¿no existe una justificación teórica de por qué los colisionadores gamma son tan enormemente más difíciles de fabricar que nunca se ha observado producción? Anteriormente mencionaste el espacio de fase. Otros también lo hicieron. Si es la razón, entonces ¿por qué es tan diferente en la inversión del tiempo?
No se me ocurre ninguna razón teórica, excepto que los fotones son difíciles de acelerar: puede acelerar los artículos cargados que los producen. Por espacio de fase, me refiero a la densidad de fotones energéticos disponibles para colisionar... tal vez debería haber dicho luminosidad de los haces o haces efectivos, en su lugar.
Si bien es posible que esta respuesta no resuelva todas las inquietudes, es útil, por lo que la acepto. ¡Gracias de nuevo! :)

Sin embargo, los fotones no interactúan entre sí, al menos no a energías tan bajas.

La mitad de un fotón Mev es un rayo gamma, y ​​está preguntando sobre la sección transversal de la dispersión gamma gamma.

En este artículo se considera que la reacción inversa se utiliza en las observaciones astrofísicas.

En lugar de chocar, simplemente se ignoran y siguen adelante.

Esto es cierto para los fotones de baja energía. Tiene que ver con las constantes de acoplamiento y la conservación del número cuántico, pero los diagramas invertidos en el tiempo funcionan matemáticamente.

Están considerando colisionadores gamma gamma.

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