La producción de pares es donde un fotón energético en su interacción con un fuerte campo eléctrico que rodea un núcleo produce un par electrón-positrón. La aniquilación es su inversa, donde un par electrón-positrón produce dos fotones al interactuar con el núcleo.
Pero, ¿cómo suceden estos? Quiero decir, ¿por qué requieren un fuerte campo eléctrico y núcleos?
(¿Es necesaria la fuerza nuclear fuerte para este proceso?)
La aniquilación puede ocurrir cuando todos los números cuánticos de dos partículas en colisión suman cero. Puede ser electrón sobre positrón, protón sobre antiprotón, neutrón sobre antineutrón, quark sobre antiquark, etc. La fuerza responsable depende de las posibles interacciones de las partículas aniquiladoras.
En el caso de la aniquilación de electrones y positrones, es principalmente la fuerza electromagnética la que está involucrada y, por lo tanto, se obtienen dos fotones como salida, generalmente, para conservar los números cuánticos y el momento (un solo fotón no conservaría el espín también como el espín de el sistema electrón-positrón es par). Una aniquilación en cuatro fotones es suprimida en gran medida por la constante de acoplamiento 1/137 que ingresa a cada vértice de fotones.
En el caso del protón antiprotón la fuerza principal es la fuerza fuerte y los productos son varios hadrones, mesones que conservan los números cuánticos, ya que son los quarks y antiquarks los que desaparecen y se reordenan en mesones.
La aniquilación no requiere la presencia de otros campos.
La producción de pares por un solo fotón necesita un campo externo para conservar el impulso como afirma @KarsusRen en su respuesta. La interacción es electromagnética. Uno puede pensar en esto como una dispersión de fotones, donde uno de los fotones es virtual y sale del campo del núcleo. Los gluones no son libres, por lo que no se puede observar la creación libre de pares de protones antiprotones, pero los diagramas existen.
Aquí hay una medición interesante de las colisiones gamma gamma fuera de la capa, ambos fotones fuera de la capa, generando un par de protones y antiprotones, que muestra hasta dónde se puede llegar con el concepto de producción y aniquilación de pares.
El electrón y el positrón pueden aniquilarse en el espacio libre, pero un solo fotón no puede convertirse en un par electrón-positrón porque no se puede satisfacer la conservación de la energía-momento. El núcleo en la producción de pares absorbe parte del impulso.
ana v