Рождение пар

Рожде́ние пар — в физике элементарных частиц обратный аннигиляции процесс, в котором возникают пары частица-античастица (реальные или виртуальные). Для появления реальной пары частиц закон сохранения энергии требует, чтобы энергия, затраченная в этом процессе, превышала удвоенную массу частицы:  Минимальная энергия  необходимая для рождения пары данного типа, называется порогом рождения пар. Кроме того, для рождения реальной пары необходимо выполнение других законов сохранения, применимых к данному процессу. Так, законом сохранения импульса запрещено рождение одним фотоном в вакууме реальной электрон-позитронной пары (или пары любых других массивных частиц), поскольку единичный фотон в любой системе отсчёта несёт конечный импульс, а электрон-позитронная пара в своей системе центра масс обладает нулевым импульсом. Чтобы происходило рождение пар, необходимо, чтобы фотон находился в поле ядра или массивной заряженной частицы. Этот процесс происходит в области, имеющей размер комптоновской длины волны электрона  (или, при рождении пар более тяжёлых частиц, например мюонов , размер их комптоновской длины волны).
 
Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта с электромагнитным полем ядра (в сущности, с виртуальным фотоном) является преобладающим процессом потери энергии гамма-квантов в веществе при энергиях выше  (при более низких энергиях действуют в основном комптоновское рассеяние и фотоэффект, при энергиях ниже  рождение пар вообще отсутствует). Вероятность рождения пары в таком процессе пропорциональна квадрату заряда ядра.

Рождение электрон-позитронных пар гамма-квантами (в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле для разделения треков электрона и позитрона) впервые наблюдали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1933 году, а также Патрик Блэкетт, получивший в 1948 году за это и другие открытия Нобелевскую премию по физике.

Рождение электрон-позитронных пар в электрическом поле 
Сильное электрическое поле способно генерировать электрон-позитронные пары. Интенсивность генерации электрон-позитронных пар зависит от напряжённости поля, а не от его частоты. Под влиянием статического электрического поля потенциальный барьер, отделяющий позитроны в море Дирака от электронов, приобретает треугольную форму. Швингер нашёл формулу для вероятности образования электрон-позитронных пар в единице объёма за единицу времени, то есть интенсивности рождения пар: , где  — критическое значение напряжённости поля. Эффективность рождения пар экспоненциально уменьшается при уменьшении напряжённости. Чтобы эффект был заметным, необходимы очень большие напряжённости поля  В/см. Напряжённость поля на боровской орбите атома водорода  В/см.

Лазерные импульсы 
В мощных лазерных импульсах можно получить электромагнитные поля релятивистских напряжённостей. В настоящее время удаётся получить поток мощности до  при длительности импульса порядка нескольких фемтосекунд (). В таких полях с помощью линз можно создать напряжённости электрического поля, близкие к  Таким образом возможна прямая экспериментальная проверка эффекта вакуумного рождения электрон-позитронных пар.

Столкновения релятивистских тяжёлых ионов 
Достаточная напряжённость электрического поля достигается вблизи поверхности сверхтяжёлых ядер, имеющих заряд , где  — постоянная тонкой структуры. Энергия связи электрона на нижней, так называемой K-оболочке в атоме с зарядом ядра  равна массе электрона, а при  — удвоенной массе электрона, то есть порогу рождения электрон-позитронных пар . Ядер с таким зарядом в природе нет, однако они кратковременно образуются при столкновениях тяжёлых ионов в экспериментах, направленных на поиск сверхтяжёлых элементов. Если суммарный заряд сталкивающихся ионов превысит критическое значение, то на короткое время, до распада составного ядра возникнет электрическое поле, достаточное для спонтанного рождения реальной электрон-позитронной пары. Электрон виртуальной электрон-позитронной пары фактически находится в потенциальной яме с глубиной . Когда вблизи неё появляется другая потенциальная яма с такой же или большей глубиной (К-оболочка вблизи сверхтяжёлого составного ядра), становится возможным превращение виртуальной пары в реальную. Электрон, туннелировав через потенциальный барьер, занимает вакансию на К-оболочке, а позитрон уходит на бесконечность.

Рождение электрон-позитронных пар в гравитационном поле 

Электрон-позитронные пары теоретически способно порождать гравитационное поле, как переменное, так и постоянное. Экспериментально такие процессы пока не наблюдались.

Рождение пар гравитационной волной  
Для переменного гравитационного поля (гравитационная волна) порог рождения пар , где  — частота гравитационной волны,  — масса электрона и позитрона,  — скорость света. Рождение пар элементарных частиц переменным гравитационным полем может играть большую роль в космологии.

Рождение пар в статическом гравитационном поле  

Постоянное гравитационное поле для того, чтобы породить пары, должно быть неоднородным. Пары могут рождаться только за счёт приливного эффекта. Разность сил, действующих на электрон и позитрон в виртуальной паре (приливной эффект), равна  где  — ускорение, сообщаемое гравитационным полем,  — комптоновская длина волны,  — характерный масштаб неоднородности гравитационного поля. Порог рождения пар:  Для сферической невращающейся массы  на достаточно большом расстоянии  от нее ускорение   и условие рождения пар принимает вид  Его можно записать в виде  где  — гравитационный радиус. Энергия, необходимая одной частице из возникшей пары для того, чтобы уйти прочь, возникает за счёт поглощения другой частицы чёрной дырой. В поле тяжести с ускорением  электронно-позитронная пара на характерном расстоянии  приобретает энергию  Такой энергии отвечает температура  Электронно-позитронные пары будут рождаться, если  то есть при  Если  то вероятность рождения пар снижена множителем

Литература 
 Герштейн С. С. Теория относительности и квантовая механика открывают мир античастиц // Соросовский образовательный журнал, 1998, № 9, С. 79—85.
 Смолянский С. А. Вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях. // Соросовский образовательный журнал, 2001, № 2, с. 69—75;
 Зельдович Я. Б., Хлопов М. Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1988. (Б-ка «Квант»; Вып. 67).
 Киржниц Д. А., Линде А. Д. Фазовые превращения в микромире и во Вселенной // Природа. 1979. № 11. С. 20—30.
 Попов В. С. Квантовая электродинамика сверхсильных полей // Природа. 1981. № 10. С. 14.
 Smolyansky S. A., Ropke G., Schmidt S. et al. Dynamical Derivation of a Quantum Kinetic Equation for Particles Production in the Schwinger Mechanism // GSI Report 97-72; Int. J. Mod. Phys. 1998. Vol. E7. P. 709.
 Schmidt S., Blashke D., Ropke G. et al. Non-Markovian Effects in Strong-Field Pair Creation // Phys. Rev. D. 1999. Vol. 59. P. 094005.
 Bloch J. C. R., Mizerny V. A., Prozorkevich A. V. et al. Pair Creation: Back-Reaction and Damping // Phys. Rev. D. 1999. Vol. 60. P. 1160011.

Примечания 

Физика элементарных частиц
Ядерная физика