¿Cómo forman los fotones suficientemente energéticos pares de electrones y positrones?

Question

Si la pregunta parece extraño, he aquí el fragmento de wikipedia que lo impulsa:

La teoría del Big Bang es la más ampliamente aceptada teoría científica para explicar las primeras etapas en la evolución del Universo.[133] Para la primera milésima de segundo del Big Bang, las temperaturas fueron más de 10 mil millones de grados Kelvin y fotones había media de energías de más de un millón de electronvolts. Estos fotones eran lo suficientemente enérgica que podrían reaccionar unos con otros para formar pares de electrones y positrones. Asimismo, el positrón-electrón pares aniquilado mutuamente y se emiten fotones energéticos:

γ + γ ↔ e+ + e−

Un equilibrio entre los electrones, positrones y fotones se mantuvo durante esta fase de la evolución del Universo. Después de 15 segundos habían pasado, sin embargo, la temperatura del universo cae por debajo del umbral donde electrón-positrón formación podría ocurrir. La mayoría de los sobrevivientes de los electrones y positrones aniquilados uno a otro, la liberación de radiación gamma que brevemente recalentar el universo.[134]

(donde se cita 134 es de Seda, J. (2000). El Big Bang: La Creación y Evolución del Universo (3ª ed.).)

Es de esta forma en que los electrones se formó originalmente? Es un proceso fundamental en el que, si tienes dos fotones suficientemente caliente y aplastar a ellos juntos, se produce un electrón y un positrón?

Answer 1

No sé, si alguien se tomó su pregunta del título, literalmente, que se podría decir exactamente "cómo" de la anterior reacción se produjo. Cómo partícula de conversión que pasa es que no se entiende, pero las reglas detrás de él se conocen. En la Tierra, estamos en el bajo régimen de energía, por lo que tenemos para predecir y explorar energías más altas que normalmente no se "ve", por lo que las reglas pueden ser , y probablemente, diferente.

Siempre las reglas de conservación de la carga que se cumplan, en otras palabras, si se inicia el proceso con una posición neutral de carga global, y al final con un global de neutro de carga, entonces es posible que, dada la suficiente cantidad de energía, (o lo suficientemente caliente), como usted ha dicho.

A Partir De La Producción De Par

La producción de par es la creación de una escuela primaria de la partícula y su antipartícula, por ejemplo, la creación de un electrón y un positrón, un muón y antimuon, o un protón y antiprotón. La producción de par a menudo se refiere específicamente a un fotón de la creación de un par electrón-positrón, cerca de un núcleo, pero más generalmente se refieren a cualquier bosón neutro, la creación de una partícula-antipartícula par. En orden para la producción de par de ocurrir, la energía entrante de la interacción debe estar por encima de un umbral con el fin de crear el par – al menos en el total de la masa de reposo de la energía de las dos partículas – y que la situación lo permite, tanto de la energía y el impulso para ser conservadas. Sin embargo, todos los demás conservado números cuánticos (momento angular, carga eléctrica, el número leptónico) de las partículas producidas deben sumar a cero por lo tanto la creación de partículas se han opuesto a los valores de cada uno de los otros. Por ejemplo, si una partícula tiene una carga eléctrica de +1 a la otra debe tener carga eléctrica de -1, o si una partícula tiene la extrañeza de +1, a continuación, otro, uno debe tener la extrañeza de -1. La probabilidad de producción del par de fotones-materia interacciones aumenta con la energía del fotón y también aumenta aproximadamente con el cuadrado del número atómico de los cerca de átomo.

A Partir De La Materia Conservación De La

Porque de impulso de leyes de conservación, la creación de un par de fermiones (partículas de materia) de un único fotón no puede ocurrir. Sin embargo, la materia se permite la creación de estas leyes cuando en la presencia de otra partícula (otro bosón, o incluso un fermión) que pueden compartir el principal fotones impulso. Por lo tanto, la materia puede ser creado de dos fotones.

La ley de conservación de la energía establece un mínimo de fotones de energía que se requiere para la creación de un par de fermiones: este umbral de energía debe ser mayor que el total de la energía de reposo de los fermiones creado. Para crear un par electrón-positrón, el total de la energía de los fotones deben ser de al menos $2m_ec^2 = 2 × 0.511 MeV = 1.022 MeV$ ($m_e$ es la masa de un electrón y c es la velocidad de la luz en el vacío), un valor de energía que corresponde a soft gamma ray fotones. La creación de una forma mucho más masiva par, como un protón y antiprotón, requiere de fotones con una energía de más de $1.88$ GeV (duro a los rayos gamma, los fotones).

La primera publicación de los cálculos de la tasa de $e+–e−$ la producción de par en fotón-fotón colisiones fueron hechas por Lev Landau en 1934. Se predijo que el proceso de e+–e− par de la creación (a través de las colisiones de los fotones) domina en la colisión de ultra-relativista partículas cargadas-debido a que los fotones son radiada en estrecha conos a lo largo de la dirección del movimiento de la original de las partículas, aumentando considerablemente el flujo de fotones.

En general, si no hay una ley que especialmente la prohíbe, entonces cualquier proceso, teóricamente, puede ocurrir, aunque exóticas partículas se descompone muy rápidamente, así, por ejemplo, el Gran Colisionador de hadrones fue diseñado para detectar los productos de la desintegración de los Bosones de Higgs, y no de la partícula en sí, que duró un minuto de tiempo.

Answer 2

La producción de par no es algo donde la regla es 'ir a ver lo que Wikipedia dice'. Wikipedia sólo se intenta resumir lo que se sabe, a veces bien, a veces no.

La producción de par es un bien comprendido en el proceso de la teoría cuántica de campos cuántica y la electrodinámica, y en realidad por otras partículas de pares electrón-positrón, también de otras partes del modelo estándar de la física cuántica. No hay nada misterioso (ya) sobre el par de la creación, a la par de la aniquilación o de otras interacciones entre partículas cargadas y los fotones.

Cuántica electrodinámica (QED), desarrollado por Feynmann, Schwinger y otros es la teoría del campo cuántico de la elctromagnetic interacciones. En ella se pueden calcular las secciones transversales, relacionadas con las probabilidades de algunos creación, destrucción y/o evento de dispersión ocurre entre las partículas cargadas (electrones y muones, y sus antipartículas, además de otras partículas con una estructura interna cuando la estructura interna de los efectos se puede aproximar o ignorado) y los fotones, el portador de la fuerza electromagnética. Es un complejo conjunto de cálculos utilizando la teoría cuántica de campos (QFT). Feynmann presentó sus diagramas de Feynmann como una manera de hacer que la configuración de los cálculos más fácil. Un ejemplo de un Feynmann diagrama se puede ver en el artículo de wiki en la Producción de Par, en https://en.m.wikipedia.org/wiki/Pair_production

Uno de los conceptos básicos en QFT, QED, y realmente todos relativista de la teoría cuántica, es que las partículas (que en realidad son excitaciones de campos cuánticos) puede ser creado si no hay suficiente energía para que surgir. Por lo tanto, es realmente un problema de cuerpo, con todas las diferentes variaciones en el cual las partículas pueden ser creados y cómo de probable es que esos son. Es increíble que el QFT y QED, una parte de QFT, podría averiguar. Pero esa es la diferencia entre no-relativista y relativista de la teoría cuántica, las partículas pueden aparecer y desaparecer.

Aquellos sección transversal o probabilidades, por ejemplo de dos fotones de la creación de un electrón, el positrón par depende del total de la energía del fotón en su centro de impulso marco de referencia, y otros factores. Ellos han demostrado y que se mide en el laboratorio. Lo mismo es cierto para el proceso inverso también puede ser calculada. Pero la diferencia es que un electrón positrón pareja siempre tiene la energía suficiente para crear los fotones de su masa de reposo. Los fotones sólo puede crear una enorme pares de partículas si tienen el mínimo de energía para crear dos partículas macizas - para el electrón positrón par es 1.022 MeVs total.

No todos los procesos que usted puede pensar que puede suceder. Diagramas de Feynmann son una buena metodología para ver qué procesos puede suceder, y calcular sus probabilidades. Normalmente, se trata de procesos en los que, por QED, las partículas cargadas y o fotones están involucrados, y de la energía, el impulso y el momento angular puede ser conservada. Puede ser más compleja para el débil y el fuerte interacciones, donde usted tiene que tomar en cuenta la conservación de los diferentes números cuánticos también (tales como el sabor, en las interacciones fuertes de paridad, etc).

En un nivel suficientemente alto de las energías de los procesos de fotones de la producción de par va a pasar en grandes cantidades, y lo hicieron en el universo temprano. Pero después se expandió y enfrió algunos, sus energías se convirtió inferior y con muchos fotones no tener el mínimo requerido de energías pares no fueron creados. Par de aniquilación mantuvo sucediendo hasta que la mayoría de la tomografía por desaparecido. Hay gran abundancia de electrones a través de positrones inicialmente (por eso es otro cuento, no está totalmente claro aún por qué eran y son mucho más partículas de antipartículas. Puede ser roto la paridad y la carga de la simetría en las débiles fuerzas, pero es un trabajo en progreso)

El artículo de wiki tiene más que eso, también tiene un breve resumen de algunos de los cálculos, y leyes de conservación, usado, y lo que significa. QED fue un gran logro en la física, y ganó sus descubridores (o desarrolladores, es sólo una palabra) de los premios Nobel. Es algo que sabemos y que debemos estar orgullosos, de que hay muchas cosas que no sabemos.

Más en QED en otro artículo de wiki en https://en.m.wikipedia.org/wiki/Quantum_electrodynamics

Y una revisión más detallada de los electrones y positrones en la física y la astrofísica en http://www.icranet.org/misc/Scientific_Report_2009/Reports/08Xue_a.pdf

Para entender realmente, y si lo desea, utilizar, QED lo mejor es ir a través de uno de la Teoría del Campo Cuántico libros. Wikipedia es sólo una vista rápida a las cosas, y no siempre puede ser de derecho.