Producción de pares de un fotón gamma a un electrón y un positrón

Un solo fotón puede producir pares solo en presencia de algún otro cuerpo como un núcleo atómico. Este cuerpo adicional es necesario para conservar el impulso. En el caso de la producción de pares a partir de un solo fotón, el fotón debe tener suficiente energía para producir tanto la partícula como la antipartícula, por ejemplo, para producir un par de electrones y positrones, se necesitaría una energía de 1022 keV.

Cuando un electrón y un positrón se aniquilan, producen dos fotones de 511 keV, por lo que ninguno de estos dos fotones tiene suficiente energía para crear otro par de electrones y positrones.

En principio, dos fotones de 511 keV pueden interactuar entre sí para producir un par de electrones y positrones, pero resulta que la probabilidad de este proceso es muy pequeña, por lo que en la práctica nunca se observa.

Con respecto al diagrama de Feynman: es muy, muy importante entender que un diagrama de Feynman no es una representación de lo que sucede con las partículas. Es una representación pictórica de una integral llamada propagador . No debe intentar interpretarlo como un proceso que ocurre físicamente, ya que esto lo confundirá.

Tenga en cuenta el diagrama de Feynman que describe cómo un solo fotón puede dar un par de positrones de electrones en el enlace que da :

La gamma que sale de la Z (un núcleo con un campo eléctrico) se llama virtual y las dos partículas son el efecto de la gamma que golpea un núcleo, lo que permite la conservación del momento de la creación del par. Un solo fotón no tiene centro de masa y se mueve siempre con velocidad c. El positrón de electrones tiene un centro de masa y se puede crear con el momento del par cero (siempre se puede ir al marco de inercia donde el par está en reposo), por lo que un solo fotón de las leyes de conservación no puede crear un par.

Su propuesta al final de la pregunta también violaría la conservación de energía.

A partir del diagrama de Feynman que muestra, se puede calcular la probabilidad de aniquilación cuando los positrones se dispersan de un electrón. En el marco del centro de masa, los dos fotones salen en direcciones iguales y opuestas y se conserva el impulso y la energía. La línea que une los vértices es un electrón virtual. Uno tiene que estudiar la teoría cuántica de campos para entender las matemáticas.

La aniquilación electrón-positrón requiere la producción de dos fotones para conservar el impulso (los dos fotones deben moverse en direcciones opuestas).

Para la producción de pares, un solo fotón entrante no producirá un par electrón-positrón ya que la conservación del impulso no se mantendría.

Pero se producirá la conservación del impulso y este proceso se permitirá si tiene alguna otra partícula cargada cerca que se encargue del impulso del fotón (tal interacción generalmente ocurrirá cerca de un núcleo).

También ha agregado un diagrama de Feynman y pregunta qué significa la línea intermedia. Esta línea se llama propagador y expresa matemáticamente la amplitud de probabilidad de que ocurra una interacción de partículas entre dos puntos del espacio-tiempo. Parece implicar que las partículas siguen caminos descritos por estos diagramas. Las partículas no tienen trayectorias clásicas como parecen implicar los diagramas. Más bien, son descripciones pictóricas de objetos matemáticos.