Çiftler oluşturma

Terimi, çift oluşturma bir oluşturulmasını belirtir tanecik antiparçacık çifti a: gelen foton (ya da diğer bozonun nötr yükün) veya bir yüklü parçacık hareket göreli hızı .

Genişletilmiş tanım

Fotonlardan çiftler oluşturmak

Üretim, temel bir parçacığın ve onun karşıt parçacığının , çoğunlukla bir fotondan (veya başka bir nötr bozondan ) yaratılması anlamına gelir . Buna, kütle merkezinde çifti oluşturmak için yeterli enerji olduğu sürece izin verilir - en azından iki parçacığın toplam durgun kütle enerjisi - ve durum enerjinin korunmasına ve hareket miktarına izin verir. Üretilen parçacıkların diğer tüm kuantum sayılarının (açısal momentum, elektrik yükü) toplamı sıfır olmalıdır - bu nedenle, oluşturulan parçacıklar birbirlerine göre zıt değerlere sahip olacaktır (örneğin, bir parçacığın tuhaflığı +1 ise) diğerinin tuhaflığı -1 olacaktır).

Bu , çekirdek çevresinde yüksek enerjili bir foton etkileşime girdiğinde, momentumun korunumunu ihlal etmeden bir elektron - pozitron çiftinin üretilmesine izin verdiğinde bu nükleer fizikte olur . İlk fotonun itkisinin bir şey tarafından emilmesi gerektiğinden, tek bir foton "boş" bir uzayda bir çift olarak gerçekleşemez: çekirdek (veya başka bir foton), enerji-momentum dörtlü sürücü normunun ( yani hem enerjinin hem de momentumun korunumu) (elektron-pozitron yok oluşunun zaman simetrisine bakınız).

Çiftlerin foton-çekirdek çifti tarafından üretilmesi, ancak fotonlar elektronun dinlenme kütle enerjisinin ( ) iki katından daha büyük bir enerjiye ( ) sahipse ( yani yaklaşık 1.022 MeV ) gerçekleşebilir; bu, çiftlerin bir foton-foton tarafından üretilmesidir. çift, her bir foton için minimum 511 keV'de meydana gelebilir ; Aynı korunum yasaları, müonlar ve tauonlar gibi diğer yüksek enerjili leptonların üretimi için de geçerlidir (birbirleriyle etkileşime giren iki foton , en azından çiftin kütlesine eşit bir toplam enerjiye sahip olmalıdır ; bir çekirdekle etkileşime giren tek bir foton, tüm üretilen iki parçacığın durağan kütle enerjisinin). $h \ nu$ $ben mi}$

Yüklü parçacıklardan çiftler oluşturma

Bir çiftin oluşumu, göreceli bir hıza ulaşan yüklü bir parçacık (bir elektron veya proton gibi ), bir atom çekirdeğine çarptığında veya sıyrıldığında da meydana gelebilir : olay parçacığının kinetik enerjisi yeterince yüksekse, bu enerji daha sonra kütleye dönüştürülerek bir parçacık-karşı-parçacık çifti yaratılmasına izin verilir.

Bu mekanizma, parçacık fiziğinde belirli araştırmalar için kullanılır :

Pozitron üretimi. Elektronları metal bir hedefe yüksek hızda yansıtarak, ortaya çıkan çarpışmalar elektron-pozitron çiftleri üretir. Pozitronlar, daha sonra kullanılmak üzere, örneğin bir elektron / pozitron çarpıştırıcısında toplanabilir .
Üretimi antiprotonlar bir metal hedef (örneğin yüksek enerji protonları yansıtarak, 120 GeV de Fermilab'da veya 26 GeV de CERN ). Protonlar ve atom çekirdeği arasındaki çarpışmaların bir kısmı, proton-antiproton çiftleri üretir. Spesifik kurulumlar, bazı düşük enerjili deneylerde ( CERN antiproton yavaşlatıcı gibi ) kullanılabilecek bir ışın yapmak için antiprotonları toplamayı veya proton / antiproton modunda çalışan bir Hadron çarpıştırıcısı sağlamayı mümkün kılar .
Yüklü parçacıklar tarafından çiftlerinin oluşturulması da ilk monte etmek için kullanılan atomuna ait anti-madde olarak 1995 yılında, CERN (daha önce, oysa Antiprotonlar ve atomu oluşturabilen pozitronlar zaman izolasyon üretildi). ((Yöntem, yukarıda tarif edilen ile üretilen) anti proton LEAR adı verilen bir makine içine çalıştırılmıştır L akış e nergy bir ntiproton R , düşük enerji anti proton halka ing) nispeten düşük enerji C'de saklandı. Bu halkanın içinde sıkışıp kalan bu parçacıklar, bir ksenon fışkırmasını geçti . Ksenon çekirdeklerine sürtünerek, antiprotonlar böylece elektron-pozitron çiftleri oluşturabilir ve bazı durumlarda bir çiftin pozitronu, kirişteki antiprotonlardan biri tarafından yakalanabilir, böylece bir antihidrojen atomu oluşturabilir (daha sonra, diğer daha verimli yöntemler çok daha büyük miktarlarda antimadde atomları üretmek için kullanılır).

Tarihi

Çiftlerinin oluşturulması ilk kez gözlendi kabarcık odası arasında Patrick Blackett'ten onu kazanılan, 1948 fizik Nobel .

Çekirdeğin değil, elektronun çevresinde çiftlerin yaratılmasına ilişkin ilk teorik çalışma 1933 yılında Francis Perrin tarafından yapılmıştır . Üçüzün ilk deneysel gözlemi 1939'da Aurelio Marques da Silva tarafından bildirilmiştir. Üçlü, iki negatif elektrondan ve aynı noktadan çıkan bir pozitif elektrondan oluşan, aktif bir talyum birikintisinin yakınına yerleştirilmiş bir sis odasındaki ince bir kurşun levha 208 . Bu gözlemi, talyum 208'in bozunmasından kaynaklanan bir gama ışınının alayın bir elektron alanıyla etkileşimine bağladı. Bir üçlünün üretim farklı kesitini tahmin etmek için ilk hesaplama 1948'de V. Voruba tarafından yapıldı ve sonraki yıllarda birkaç iyileştirme aldı.

Bir fotondan bir elektrona ve bir pozitrona

Yüksek enerjili fotonlar için (en azından birkaç MeV), çift üretim, fotonların madde ile baskın etkileşim şeklidir. Foton bir atom çekirdeğine yakınsa , fotonun enerjisi bir elektron-pozitron çiftine dönüştürülebilir:

γ → e - + e +

Fotonun enerji kullanan bir parçacık kütlesi dönüştürülür Einstein'ın denklemi E = mc² , burada E bir enerji , m istirahat kütle ve c ışık hızı . Fotonun, üretimin gerçekleşmesi için bir elektronun ve bir pozitronun (2 x 0.511 MeV = 1.022 MeV ) durağan kütle enerjilerinin toplamından daha büyük bir enerjiye sahip olması gerekir . Boş uzayda üretilen bir elektron-pozitron çifti hem enerjinin hem de miktarın korunumunu karşılayamayacağından , momentumun korunumunu sağlamak için foton bir çekirdeğin yakınında olmalıdır . Bu nedenle, üretim gerçekleştiğinde atom çekirdeği geri tepme enerjisi alır. Tersi süreç elektron-pozitron yok oluşu olarak adlandırılır .

Sinematik

Bu özellikler, etkileşimin kinematiğinden çıkarılabilir. Quadrivektörleri kullanarak , etkileşimden önce ve sonra enerji-momentumun korunumu şunları verir:

${\ displaystyle p _ {\ gamma} = p_ {e -} + p_ {e +} + p_ {R}}$

çekirdek geri tepme nerede . Dört sürücü modülü : ${\ displaystyle p_ {R}}$ ${\ displaystyle A = (A ^ {0}, \ mathbf {A})}$

${\ displaystyle A ^ {2} = A ^ {\ mu} A _ {\ mu} = - (A ^ {0}) ^ {2} + \ mathbf {A} \ cdot \ mathbf {A}}$

ki bu her durumda bunu ima eder . Koruma denkleminin karesini alarak: ${\ displaystyle (p _ {\ gama}) ^ {2} = 0}$ ${\ displaystyle (p_ {e -}) ^ {2} = - m_ {e} ^ {2} c ^ {2}}$

${\ displaystyle (p _ {\ gamma}) ^ {2} = (p_ {e -} + p_ {e +} + p_ {R}) ^ {2}}$

Bununla birlikte, çoğu durumda çekirdeklerin momentumu, fotonun enerjisine kıyasla çok daha küçüktür ve ihmal edilebilir. Kalan ilişkiyi basitleştirmek ve genişletmek için bu yaklaşımı göz önünde bulundurarak : ${\ displaystyle p_ {R} \ yaklaşık 0}$

${\ displaystyle (p _ {\ gamma}) ^ {2} = (p_ {e -}) ^ {2} + 2p_ {e-} p_ {e +} + (p_ {e +}) ^ {2} }$

${\ displaystyle -2m_ {e} ^ {2} c ^ {2} +2 \ left ({\ frac {E ^ {2}} {c ^ {2}}} + \ mathbf {p} _ {e- } \ cdot \ mathbf {p} _ {e +} \ sağ) = 0}$

${\ displaystyle 2 (\ gamma ^ {2} -1) m_ {e} ^ {2} c ^ {2} (1+ \ cos \ theta _ {e}) = 0}$

Dolayısıyla, bu yaklaşım ancak bir elektron ve bir pozitron ile tam tersi yönlerde yayınlanırsa sağlanabilir . ${\ displaystyle \ theta _ {e} = \ pi}$

Türetme yarı klasik yaklaşımdır. Bir fotonun ve bir çekirdeğin tam kuantum saçılması hesaba katılarak kinematiğin kesin bir türetilmesi yapılabilir.

Eşik enerjisi

Bir elektron-pozitron çifti oluşturmak için gereken minimum enerji aşağıdaki ilişki ile verilir:

${\ displaystyle E_ {eşik} = 2m_ {e} c ^ {2} \ left (1 + {\ frac {m_ {e} c ^ {2}} {m_ {R} c ^ {2}}} \ sağ )}$

ile çekirdeğin dinlenme kütlesi. Bu nedenle, çekirdeğin kütlesi ne kadar büyükse, bir çift oluşturmak için o kadar az enerji gerekir. ${\ displaystyle m_ {R}}$

Enerji transferi

Çift oluşturma sırasında (çekirdek geri tepme enerjisini göz ardı ederek) elektron ve pozitrona enerji transferi şu şekilde ifade edilir:

${\ displaystyle (E_ {k} ^ {pp}) _ {tr} = h \ nu -2m_ {e} c ^ {2}}$

burada bir Planck sabitesi , fotonun frekansı ve elektron ve pozitron kombine kalan kütlesidir. Genel olarak, elektron ve pozitron farklı kinetik enerjilerle yayılabilir, ancak her birine aktarılan ortalama şu şekildedir: $h$ $\çıplak$ ${\ displaystyle 2m_ {e} c ^ {2}}$

${\ displaystyle ({\ bar {E}} _ {k} ^ {pp}) _ {tr} = {\ frac {1} {2}} (h \ nu -2m_ {e} c ^ {2}) }$

Enine kesit

Eşleştirme kesitinin tam analitik şekli, Feynman diyagramları kullanılarak kuantum elektrodinamiği kullanılarak hesaplanmalı ve karmaşık bir işlevle sonuçlanmalıdır. Basitleştirmek için kesit şu şekilde yazılabilir:

${\ displaystyle \ sigma = \ alpha r_ {e} ^ {2} Z ^ {2} P (\ epsilon, Z)}$

burada bir ince yapı sabiti , bir elektronun klasik yarıçapı (in) , bir atom numarası malzeme elde edildi. $\alfa$ ${\ displaystyle r_ {e}}$ $Z$

${\ displaystyle P (\ epsilon, Z)}$ Pierre Marmier ve ilişkiye göre foton enerjisine bağlıdır Eric Sheldon, tarafından önerilen karmaşık bir fonksiyondur ve ilgili çekirdek atom numarası. Bu fonksiyon, fotonun enerji aralığına bağlı olarak farklı ifadeler alır: ${\ displaystyle \ epsilon = {\ frac {h \ nu} {m_ {e} c ^ {2}}}}$ $Z$

${\ displaystyle P (\ epsilon, Z) = {\ frac {28} {9}} \ ln (2 \ epsilon) - {\ frac {218} {27}}}$ fotonun enerjisinin nispeten düşük olduğu durumda. Bu durumda, çekirdeğin Coulomb alanının elektronik alayın elektronları tarafından perdeleme etkisi yoktur ;
${\ displaystyle P (\ epsilon, Z) = {\ frac {28} {9}} \ ln {\ frac {183} {Z ^ {1/3}}} - {\ frac {2} {27}} }$ fotonun enerjisinin daha büyük olduğu durumda . Bu durumda, tarama etkisi toplamdır; ${\ displaystyle {\ frac {1} {\ alpha Z ^ {1/3}}}}$
${\ displaystyle P (\ epsilon, Z) = {\ frac {28} {9}} \ ln (2 \ epsilon) - {\ frac {218} {27}} - 1.027}$ fotonun enerjisinin daha büyük olduğu durumda . ${\ displaystyle 4m_ {e} c ^ {2}}$

Kesitler, farklı malzemeler ve enerjiler için tablo haline getirilmiştir.

Üçlü yaratmak

Bir foton, yalnızca yüklü bir parçacığın Coulomb alanıyla etkileşime girdiğinde bir çift oluşturabilir. Bu "parçacık" genellikle atom çekirdeğidir. Bununla birlikte, foton, çekirdeğe eşlik eden elektronik alayın bir elektronunun Coulomb alanıyla da etkileşime girebilir. Bu etkileşim, iki elektron ve bir pozitronun varlığıyla sonuçlanır; bir elektron ve bir pozitron, kendi içinde çiftlerin oluşumundan gelir ve fazladan elektron, elektronik alaydan atılan elektrona karşılık gelir. Gerçekten de, quadri -momentinin değişmezliğini karşılamak için bu elektrona önemsiz olmayan bir dürtü ( ortalama averagem e c² ≈ 340 keV ) aktarıldı .

Dahili çiftlerin oluşturulması

İç çiftlerin oluşturulması, bir gama ışını emisyonu yerine radyoaktif bozunma sırasında meydana gelebilen bir süreçtir . Kendini iki şekilde gösterebilir:

çekirdeğin bozunmasından ( α veya β parçacığı ) kaynaklanan yüklü bir parçacık, oğul çekirdeğinin Coulomb alanı tarafından hızlandırılır ve 2m e c²'den daha büyük bir enerjiyle sürekli fren radyasyonuna veya bremsstrahlung'a maruz kalır (" m e "elektron veya pozitronun kütlesi ve" c " ışık hızı ), bir elektron-pozitron çiftinin yaratılmasına izin verir;
çocuk çekirdek heyecanlı bir durumda yaratılır. Bu uyarılmış durum ile daha düşük bir enerji durumu arasındaki geçişin enerjisi 2m e c²'den büyükse , bu geçişle ilişkili γ (gerçek veya sanal ) bir elektron-pozitron çiftine dönüştürülebilir. Bu, örneğin arasındaki olası bir sönüm yolu Hoyle halde bir enerji bulunan, 7.65 MeV ve temel durum , bu iki seviye yana karbon 12 hem de bir olması döndürme ve. Parite 0 + emisyonu bir düşüş yasaklar bir ışın γ .

Astrofizikte varlık

Çiftlerin üretimi, varsayımsal Hawking radyasyonunun varlığını tahmin etmek için kullanılır . Kuantum mekaniğine göre , kuantum köpüğünde sürekli olarak parçacık çiftleri belirir ve kaybolur . Güçlü yerçekimi gelgit kuvvetlerinin olduğu bir bölgede , çiftin iki parçacığı bazen birbirlerini yok etme şansı bulamadan ayrılabilir . Bu, bir kara deliğin çevresindeki bölgede meydana geldiğinde , bir parçacık, karşıt madde partneri kara delik tarafından yakalanırken bir parçacık kaçabilir ya da tam tersi.

Çift üretimi, aynı zamanda, çift üretim yoluyla varsayımsal süpernovaların arkasındaki mekanizmadır ; burada, eşleşme, süperdev yıldızın içindeki basıncı aniden düşürerek kısmi patlamasına ve ardından patlayıcı termonükleer yanmaya yol açar. SN 2006gy süpernovadır muhtemelen bir çift üreten süpernovadır olup.

Kaynakça

(tr) JW Motz , Haakon Andreas Olsen ve HW Koch , " Photons ile Çift Üretim " , Modern Fizik İncelemeleri , cilt. 41,1 st Ekim 1969, s. 581-639 ( DOI 10.1103 / RevModPhys.41.581 )
(en) Ervin B. Podgoršak , "Fotonların Madde ile Etkileşimleri" , Ervin B. Podgoršak, Tıbbi Fizikçiler için Radyasyon Fiziği , Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2010( ISBN 978-3-642-00874-0 , DOI 10.1007 / 978-3-642-00875-7 , çevrimiçi okuyun ) , s. 355-372

Notlar ve referanslar

(tr) pozitron Üretim Örneği at Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi
(inç) Fermilab'ın Hızlandırıcı Zinciri: Antiproton Kaynağı - Hedef İstasyon
CERN'de antiproton üretimine bir örnek: (en) public.web.cern.ch; "Antiproton üretim ilkesi"
(fr) public.web.cern.ch; "Karşımaddenin gerçek hikayesi"
(fr) public.web.cern.ch; "Antihidrojen üretimi ilkesi"
(in) Jenn Subaşı , " açılış Blackett Kolokyumu karanlık madde keşfetmek " üzerinde Imperial College London'da ,Ekim 29, 2015( 30 Ekim 2016'da erişildi )
Francis Perrin , " Bir foton ve bir elektronun etkileşimi ile maddileşme olasılığı ", Proceedings , cilt. 197,1933, s. 1100 ( çevrimiçi okuyun )
Aurelio Marques da Silva, " Enerjinin somutlaşması çalışmasına katkı ", Annales de physique , cilt. 11, n o 11,1939, s. 504 ( DOI 10.1051 / anphys / 193911110504 )
(inç) Kenichi Shinohara ve Mitio Hatoyama " Elektron Yıl Alanında Çift Üretimi " , Physical Review , cilt. 59,1 st Mart 1941, s. 461 ( DOI 10.1103 / PhysRev.59.461 )
V. Voruba, Bull. Stajyer. Acad. Czech Sci. , cilt. 49, p. 19 , 1948
(inç) KJ Mork, " Fotonlar tarafından çift üretim Elektronlardır " , Physical Review , cilt. 160,25 Ağustos 1967, s. 1065 ( DOI 10.1103 / PhysRev.160.1065 )
(inç) JH Hubbell , " Fotonlar üreterek elektron-pozitron çifti: Tarihsel bir bakış " , Fizik ve Radyasyon Kimyası , cilt. 75, n o 6,Haziran 2006, s. 614-623 ( DOI 10.1016 / j.radphyschem.2005.10.008 , Bibcode 2006RaPC ... 75..614H )
(in) Zdenka Kuncic , " PHYS 5012 - Radyasyon Fiziği ve Dozimetri " , Dr. Kuncic'in Okumaları Dizini , Sidney Üniversitesi - Dr. Kuncic,Mart 12, 2013( 30 Ekim 2016'da erişildi )
Podgoršak 2010 , s. 358–359
(inç) Pierre Marmier ve Eric Sheldon, Çekirdek ve parçacık fiziği , uçuş. Ben, Academic Press,1969
Podgoršak 2010 , s. 362
(inç) E. Prešnajderová, P. ve P. Prešnajder Povinec, " Nükleer bozunmada dahili eş nesil nasıldır? " , Zeitschrift fur Physik A Nuclei and Atoms , Cilt. 291, n o 3,Eylül 1979, s. 283–285 ( DOI 10.1007 / BF01409196 )
(in) R. Wilson, Kai Siegbahn'da "Dahili akran eğitimi" , α · β · γ Ray Spektroskopisi , Amsterdam: Kuzey Hollanda PuN,1965
(inç) T. Kibedi ve ark. , " 12 C'de Hoyle durumunun çift spektroskopisine doğru " , EPJ Web of Conferences , cilt. 35,2012, s. 06001 ( DOI 10.1051 / epjconf / 20123506001 )

Ayrıca görün

İlgili Makaleler

Foton
Sanal parçacık
Çok sayıda elektron-pozitron çiftinin yaratılmasının yüksek kütleli bir yıldızın yıkıcı bir dengesizleşmesine yol açtığı astrofiziksel bir fenomen olan çiftlerin üretimiyle süpernova .