¿Por qué un fotón que choca con un núcleo atómico provoca la producción de pares?

Este proceso es el resultado de la cooperación de dos teorías de la naturaleza:

(i) Relatividad especial: este es un tema enorme para estudiar, pero solo necesitaremos una pequeña parte, y quizás la más famosa, que nos dice esto.

$E=mc^2$.

Esta ecuación nos muestra que la materia y la energía son equivalentes e intercambiables. Por ejemplo, si una cantidad de energía$E = 2m_ec^2$está disponible en una región muy pequeña del espacio, donde$m_e$es igual a la masa del electrón (o positrón), entonces es posible convertirlo en dos partículas, el electrón y el positrón.

(ii) Mecánica cuántica: Esto nos dice que las ondas electromagnéticas están representadas por “partículas llamadas fotones”, que transportan la energía del campo electromagnético. La cantidad de energía transportada por un fotón viene dada por la famosa ecuación

$E=hf$dónde$h=6.63\times 10^{-34}$js y$f$es la frecuencia del fotón. Así que si el fotón transporta la cantidad de energía$E=2m_ec^2$como es emitido por una fuente (generalmente$gamma$)-emisor, entonces puede suceder lo siguiente:

A medida que el fotón viaja en el espacio, QM permite la creación de un par de positrones de electrones que viven solo por un tiempo muy corto, porque se aniquilan nuevamente en el fotón original; este proceso se denomina "polarización de vacío". Estas dos partículas existen en estados virtuales y no se pueden separar así, ya que eso violaría el principio de conservación del momento.

Sin embargo, si un núcleo atómico está cerca, entonces es posible que un segundo fotón proveniente del núcleo pueda separar las dos partículas, antes de que se aniquilen nuevamente para dar el fotón original que las generó. Es decir, el campo de Coulomb del núcleo “empuja” al positrón mientras “atrae” al electrón hacia él. Por lo tanto, las dos partículas se volvieron reales y pueden guiarse hacia campos magnéticos para su almacenamiento y uso posterior.

Estos procesos están "detrás de escena" de la creación de una pareja. La parte de la física que se ocupa de estos fascinantes fenómenos cuánticos se denomina electrodinámica cuántica.

Expansión: Por el párrafo que comienza “Sin embargo, si un atómico…” me refiero a lo siguiente:

Imagina un$\gamma$-fotón con suficiente energía acercándose a un núcleo atómico a muy corta distancia. A medida que el fotón crea el$e^--e^+$par, el positrón se dispersa lejos del núcleo mientras que el electrón vuela hacia el núcleo, en un estado virtual, donde absorbe un fotón virtual, interactuando efectivamente con el campo de Coulomb del núcleo y se dispersa a un nuevo estado de impulso. Durante este proceso, el núcleo se lleva parte del impulso del electrón virtual. La presencia del núcleo atómico facilita la división del par mientras se obedece el principio de conservación del momento.

Al principio, investiguemos la producción de pares. Sabemos por la relatividad que la masa puede ser equivalente a la energía y si establecemos las constantes físicas más importantes a uno$\hbar = c = \varepsilon = 1$, entonces tenemos la siguiente relación (asumiendo que producimos un par electrón-positrón):

Dónde$\omega$es la energía (o la frecuencia) del fotón y$\gamma$es el factor relativista.

En mecánica cuántica, la cosa es que cualquier cosa puede pasar lo que es posible que pase. Pero la pregunta es con qué frecuencia sucederá. Sin embargo, la creación de pares en el vacío no está permitida debido a la conservación del impulso. La prueba es la siguiente: podemos transferir a un momento cero la energía del par partícula-antipartícula, pero el fotón no tendrá momento cero, ya que no puede estar en reposo.

Ahora, la conservación del impulso se puede 'fijar' si tenemos núcleos alrededor, entonces llevan la cantidad requerida de impulso, de modo que el proceso se permita cinemáticamente.

Si eso no es suficiente, ¿podría aclarar qué quiere decir "detrás de escena"?

ACTUALIZACIÓN: Annav tiene una muy buena explicación de la parte del 'por qué'. Solo quería enfatizar que sucede porque el proceso es físicamente. Como dijeron annav y twistor59, el problema es que el proceso es físicamente factible y eso es suficiente para que la naturaleza mecánica cuántica de nuestro mundo lo haga posible. Entonces, en lugar de preguntar por qué , deberíamos preguntar con qué frecuencia y la respuesta de annav muestra que existe una teoría llamada electrodinámica cuántica, que nos ayuda a predecir eso.

Además, quería señalar que aunque podemos tener un proceso en el que de hecho producimos un par de quarks, en tal proceso uno debe recordar que no se han observado quarks solitarios en nuestro mundo y esto se debe a que los quarks son completamente 'bestias' diferentes a los leptones (es decir,$e^-$,$e^+$,$\mu^-$,$\mu^+$,$\tau^-$y$\tau^+$partículas elementales). El comportamiento de los quarks está bastante bien explicado por Quantum Chromodynamics, sin embargo, el mecanismo exacto para mí aún se desconoce. Todo lo que quería decir es que el caso de producción de quarks y antiquarks es mucho más complicado que el caso de producción de leptones y antileptones.

La respuesta de @ gns-ank cubre la cinemática de por qué. A continuación abordo el

¿Por qué un fotón se "divide" en un electrón y un positrón, y no solo rebota en el núcleo?

en tu comentario a su respuesta.

En general, la física puede responder "por qué" de forma anidada, como las muñecas rusas. Al final, la respuesta del núcleo es "porque lo hace". En este caso, aunque estamos en medio de la anidación, podemos responder "por qué".

Los fotones interactúan electromagnéticamente con el campo del núcleo o también a veces con los electrones de los átomos según soluciones bien establecidas del problema utilizando la electrodinámica cuántica . Esta teoría ha sido validada muy meticulosamente, y da la probabilidad de que el fotón rebote, así como la probabilidad de formar un par de electrones y positrones o un par de quarks y antiquarks, etc.

En esta imagen de la cámara de burbujas de la gran cantidad de fotones que pasan al mismo tiempo sin interactuar con los átomos o núcleos, un fotón logró interactuar con un electrón, visto, y crear un par y luego crear un par con mayor energía. en un núcleo (que no se ve que no tenga suficiente impulso en el marco del laboratorio). Baja probabilidad, pero sucedió (¡también podría ser una coincidencia, dos fotones, pero parece apuntar al vértice)!

Luego podemos entrar en "por qué electromagnético" que nos llevará al modelo estándar que ha sido validado, y luego "por qué el modelo estándar" y algunos piensan que son cadenas, algunos tienen otras opiniones, pero hemos llegado al núcleo actual de anidamiento, y la respuesta es "porque es así".

Debido a que su campo electromagnético atrae con un protón o un electrón, porque tiene una carga en sí misma como partícula, por lo que si atrae con un electrón, lo eliminará mientras transfiere el impulso y tomará la posición del electrón con una carga negativa con atracción. un protón al principio, pero luego lo esquiva, con el protón volando fuera del núcleo y girando por el campo magnético del átomo mientras sale, y causará un choque estático en el átomo con un choque estático que causa un electrón (probablemente el mismo fotón ). Y probablemente también un neutrón, encajonando a otro átomo para que se forme cerca, con la energía sobrante impulsando al electrón.

AFAIK no hay explicación bajo teorías canónicas.
Encontré una explicación plausible en el libro (monografía) de Douglas Pinnow Our Resonant Universe

.. modelo de partículas, basado solo en electromagnetismo (EM), que tiene solo un parámetro (masa de electrones) y deriva las propiedades de las partículas dentro del 1% de sus valores (masas bariónicas por debajo del 0,1%) y no sufre el espín bariónico crisis. El modelo utiliza tres bloques de construcción: Electron, Pion y Muon. Los conceptos de Masa, Carga y Fuerza Gravitacional quedaron claros.

En resumen: un positrón + electrón equivale a EM: cuando se encuentran, tenemos rayos gamma y, a la inversa, dos rayos gamma chocan de frente y tenemos un par. ¿Cómo pueden ser 'lo mismo' partículas ligeras y masivas? El libro de Pinnow responde 'el por qué'.

El núcleo auxiliar es necesario para atrapar un fotón consigo mismo (una colisión frontal). De esta forma el fotón queda atrapado en un estado resonante (las partículas), y pierde su libertad natural :).

Uno puede encontrar fotos de páginas seleccionadas del libro relacionadas con esta pregunta.
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Carrera de Pinnow :
Douglas Pinnow recibió una licenciatura en ingeniería física de Cornell en 1961 y un doctorado en física de la Universidad Católica de América, como becario de la NASA, en 1967 . Luego se convirtió en supervisor del grupo de electrónica cuántica en Bell Labs , subgerente del departamento de química y física en Hughes Research Laboratory y director de I+D en Times Fiber . En 1985 fundó Universal Photonix, y más tarde su subsidiaria, Electronic Monitoring Systems.

El Dr. Pinnow es miembro de la Sociedad Óptica de América y ha presidido conferencias importantes de la OSA y el IEEE , como la Conferencia sobre láseres y electroóptica de 1983. Actualmente enseña electroóptica de posgrado en UC Irvine y tiene más de cincuenta artículos técnicos. y numerosas patentes a su nombre