¿La producción de pares es solo con fotones γγ\gamma?

"La producción de pares es cuando se produce un par partícula-antipartícula a partir de un solo fotón gamma. El fotón gamma debe tener suficiente energía para producir tanta masa. La producción de pares generalmente ocurre cerca de una nuclear, lo que ayuda a conservar el impulso".

Es una manera de describir la producción de pares agitando la mano. Los gammas son fotones de alta energía por definición. Los rayos gamma siempre tienen que interactuar con un campo para producir un par de partículas y antipartículas, de lo contrario, no se conservará el impulso. No es cuestión de ayuda. La energía de la gamma debe estar un poco por encima de la suma de las masas de la partícula antipartícula que se va a crear.

[Diagrama de Feynman de producción de pares electrón-positrón]. Uno puede calcular múltiples diagramas para obtener la sección transversal

La producción de pares puede ocurrir con otras partículas, pero no es tan fácil de estudiar.

La producción de pares es la creación de una partícula elemental y su antipartícula, por ejemplo, la creación de un electrón y un positrón, un muón y un antimuón, o un protón y un antiprotón. La producción de pares a menudo se refiere específicamente a un fotón que crea un par electrón-positrón cerca de un núcleo, pero puede referirse de manera más general a cualquier bosón neutro que crea un par partícula-antipartícula.

El par que produce un electrón y un positrón requiere una energía al menos igual a sus masas,$2m_ec^2$. Esto simplemente los crearía estacionarios, y necesitarías una energía aún mayor para darles algo de impulso.

Desde$m_e = 0.511$MeV/c$^2$, la energía mínima requerida para que ocurra la producción de pares es$\sim 1$MeV.

¿Qué fotones tienen una energía cercana a ese valor? Rayos gamma .

Ahora, si intentara hacer las matemáticas de la conservación de la energía y el momento, un solo par de fotones que se convierte en un electrón y un positrón nunca conservaría ambos.

Puede verlo observando que, para el sistema electrón+positrón saliente, existe un marco de centro de masa donde el impulso total es 0. Pero para el fotón, no existe tal cosa, ya que el impulso cero significaría energía 0 ($E =pc$). La presencia de un núcleo hace que tenga más 'elementos' en los cálculos de conservación de energía-momento, lo que le permite dar/recibir algo de energía/momento, lo que permite que ocurra el proceso de producción del par.

La radiación gamma es la más alta en energía en el espectro electromagnético. Cualquier fotón con energía sobre$100keV$se clasifican como radiación gamma.

Como se indicó en otras respuestas, para que un fotón produzca un par partícula-antipartícula, la energía del fotón debe ser al menos el doble de la masa-energía del tipo de partícula producida. Se producen 2 partículas de igual masa, por lo que tiene sentido que necesite al menos esta cantidad de energía en el fotón que las produce.

El fermión más ligero (porque normalmente no nos referimos a bosones cuando hablamos de producción de pares) es el neutrino electrónico; sin embargo, los neutrinos no interactúan con la fuerza EM, por lo que los fotones no los producirán directamente (indirectamente, todo es posible). El fermión no neutrino más ligero es el electrón. Su masa-energía se trata de$0.5MeV$, lo que significa que para producir un par electrón-positrón, el fotón inicial debe tener una energía de al menos aproximadamente$1MeV$.

Como ya establecimos que nada más$100keV$es un fotón gamma, eso significa que necesita un fotón gamma para producir un par electrón-positrón. Además, dado que el electrón es la partícula más ligera que puede producir un fotón, cualquier otra partícula requeriría que el fotón tuviera aún más energía. Entonces, ningún fotón que no sea gamma tendría suficiente energía.

Por eso decimos que la producción de pares solo ocurre con radiación gamma. Cualquier fotón con suficiente energía para producir un par de partículas debe estar automáticamente en el rango gamma del espectro EM.

La producción de pares también puede ocurrir en campos eléctricos extremadamente fuertes a través del llamado "mecanismo de Schwinger". A diferencia de la mayoría de los otros resultados en la teoría cuántica de campos, en este caso uno puede calcular exactamente la probabilidad de crear pares por unidad de volumen y tiempo, vea por ejemplo aquí .