쌍생성

쌍생산은 중성 보손에서 아원자 입자와 그 반입자를 만드는 것이다.예를 들어 전자와 양전자, 뮤온과 안티몬, 또는 양성자와 반양성자를 만드는 것을 포함한다.쌍 생산은 종종 특히 원자핵 근처에 전자-양전자 쌍을 생성하는 광자를 가리킨다.에너지가 보존되어야 하므로 쌍생성이 일어나려면 광자의 유입 에너지가 적어도 생성된 두 입자의 총 정지 질량 에너지의 임계값 이상이어야 한다.(전자는 가장 가볍고, 따라서 가장 낮은 질량/에너지, 소립자이기 때문에 가능한 모든 쌍 생산 과정 중에서 가장 에너지 없는 광자를 필요로 합니다.)에너지와 운동량의 보존은 ^[1]공정의 주요 제약사항입니다.생성된 입자의 다른 보존 양자수(각운동량, 전하, 렙톤수)는 모두 0이어야 하며, 따라서 생성된 입자는 서로 반대 값을 가져야 한다.예를 들어 한 입자의 전하가 +1이면 다른 입자의 전하가 -1이어야 하며, 한 입자의 이상도가 +1이면 다른 입자의 이상도가 -1이어야 한다.

광자-물질 상호작용에서 쌍 생성 확률은 광자 에너지와 함께 증가하며, 인근 ^[2]원자의 원자 번호(따라서, 양성자 수)의 제곱에 따라 대략 증가한다.

광자와 전자 및 양전자 연결

전자-양전자 쌍 생성 과정을 보여주는 다이어그램입니다.실제로 생산된 쌍은 거의 동일선상에 있다.'Z'라는 레이블이 붙은 검은 점은 원자 번호가 Z인 인접 원자를 나타냅니다.

높은 광자 에너지(MeV 스케일 이상)를 가진 광자의 경우, 쌍생성이 물질과 광자 상호작용의 지배적인 모드이다.이러한 상호작용은 패트릭 블래킷의 역조종 구름실에서 처음 관찰되었고, 1948년 노벨 ^[3]물리학상 수상으로 이어졌다.만약 광자가 원자핵 근처에 있다면, 광자의 에너지는 전자-양전자 쌍으로 변환될 수 있다.

γ
⁻
→ e + e⁺

광자의 에너지는 아인슈타인의 방정식 $E$ = $m µ 2$ c에 따라 입자 질량으로 변환된다. $여기$ 서 E는 $에너지$ , m은 $질량$ , c는 빛의 속도이다.광자는 전자와 양전자의 나머지 질량 에너지의 합보다 높은 에너지를 가져야 한다(2 † 511 keV = 1.022 MeV, 결과적으로 1.2132 피코미터의 광자 파장을 발생시킨다).(따라서 의료용 X선 이미지에서는 쌍생성이 발생하지 않습니다. X선에는 최대 150 keV만 포함되어 있기 때문입니다.)자유 공간에서 생성된 전자-양전자 쌍은 에너지와 ^[4]운동량의 보존을 모두 만족시킬 수 없기 때문에 운동량 보존을 만족시키기 위해서는 광자가 핵 근처에 있어야 한다.이 때문에 쌍생성이 일어나면 원자핵은 약간의 반동을 받는다.이 과정의 반대는 전자-양전자 소멸이다.

기초 운동학

이러한 특성은 상호작용의 운동학을 통해 도출될 수 있습니다.4 벡터 표기법을 사용하여 상호작용 전후의 에너지 모멘텀을 보존하면 다음과 같은 결과를 ^[5]얻을 수 있습니다.

p_{\text{e}^{-}}+p_{\text{e}^{+}}+p_{\text{p}

$p_{\text{ʀ}}$ 서 p $p_{\text{ʀ}}$ { $displaystyle p_{\text{$ }}}}는 $p_{\text{ʀ}}$ 핵의 반동입니다.4 벡터의 계수에 주목합니다.

(\displaystyle A\equiv (A^{0},\mathbf {A})}

다음과 같습니다.

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

즉 $(p_{\gamma })^{2}=0$ ( $(p_{\gamma })^{2}=0$ $(p_{\gamma })^{2}=0$ ) $(p_{\gamma })^{2}=0$ $(p_{\gamma })^{2}=0$ $(p_{\gamma })^{2}=0$ (\ $displaystyle (p_{\text$ ${e}^{-})$ $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ 0 ( $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ e - $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ ) $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ - $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ e $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ c $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ (\ $displaystyle (p_{\text$ {e}^{-}})^2} =- $m_{\text{e}$ c $^{2$ } $(p_{{\text{e}}^{-}})^{2}=-m_{\text{e}}^{2}c^{2}$ } } } = 보존 방정식을 제곱할 수 있습니다.

(p_{\text{e}^{-}}}+p_{\text{e}^{+}}+p_{\text{e}})^{2}

그러나 대부분의 경우 핵의 반동은 광자의 에너지에 비해 훨씬 작으며 무시될 수 있다.이 $p_{R}\approx 0$ p R $p_{R}\approx 0$ 0(\ $displaystyle p_{R}\apprough$ 0 $)$ 을 $p_{{R}}\approx 0$ $p_{R}\approx 0$ 하여 나머지 관계를 단순화하고 확장합니다.

{\displaystyle (p_{\text{e}^{-}})^{2}+2p_{\text{e}^{-}}p_{\text{e}^{+}}+(p_{\text{e}^+}})^2}\approx (p_{\text{\text{e}^{-})

-2,m_{\text{e}^{2}+2\left(-{\frac {E^{2}}{c^{2}}+\mathbf {p}_{\text{e}}{-}}}\cdot \mathbf {p}_{p}_{{{\text{e}}}{+}\right}) 약 0

2, (\displaystyle ^{2}-1), m_{\text{e}}^{2}, c^{2}, (\cos \theta _{\text{e}-1)\약 0

따라서 이 근사치는 전자와 양전자가 거의 같은 방향으로 방출되는 경우에만 충족될 수 있다. 즉, $\theta _{\text{e}}\approx 0$ e $\theta _{\text{e}}\approx 0$ 0 \ $displaystyle \theta$ _ { \ $text$ { $e$ } \ $about$ 0 .

이 유도는 반고전적 근사치입니다.운동학의 정확한 유도는 광자와 핵의 완전한 양자 역학적 산란을 고려해서 수행될 수 있다.

에너지 전달

쌍생성 상호작용에서 전자와 양전자로의 에너지 전달은 다음과 같이 주어진다.

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

$h$ 서 h $(\displaystyle$ h $)$ 는 $h$ Planck 상수이고 $,$ $(\displaystyle$ \ $nu)$ 는 $\nu$ 광자의 주파수이며, $2\,m_{\text{e}}c^{2}$ e $(\$ 2, $m_{\text{e}}c^{2}})$ 는 $2\,m_{\text{e}}c^{2}$ 전자-양성자의 총 정지 질량이다.일반적으로 원자핵 반동을 무시하면 전자와 양전자는 서로 다른 운동 에너지로 방출될 수 있지만, 각각으로 전달되는 평균은 다음과 같다.

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

횡단면

파인만 전자-양전자 쌍 생성 다이어그램.순 단면을 얻으려면 여러 개의 다이어그램을 계산해야 합니다.

아원자 입자의 입자 쌍 생성

쌍생성의 단면에 대한 정확한 분석 형태는 파인만 다이어그램 형태의 양자 전기역학을 통해 계산되어야 하며 복잡한 함수를 낳습니다.간단하게 하기 위해, 단면은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

(\displaystyle \displaystyle =\alpha,r_{\text{e}}^{2},Z^{2},P(E,Z)})

$\alpha$ 서 $\alpha$ α(\ $displaystyle \alpha)$ 는 $\alpha$ 미세구조 상수, $r_{\text{e}}$ e $(\$ 는 $r_{\text{e}}$ 고전 전자 반지름, $Z$ (\ $displaystyle$ Z $)$ 는 $Z$ 물질의 원자 번호, $(E,$ 는 $P(E,Z)$ 에너지와 원자 번호에 따라 달라지는 복합값 함수입니다.단면은 다양한 재료와 에너지에 대해 표로 작성됩니다.

2008년에는 두께 1mm의 금 표적을 목표로 한 타이탄 레이저가 ^[6]양전자-전자 쌍을 대량으로 생성하는 데 사용되었다.

천문학

쌍생성은 가상의 호킹 방사선에 대한 발견적 설명에서 인용된다.양자역학에 따르면 입자쌍은 양자거품으로 끊임없이 나타났다 사라진다.강한 중력 조력 영역에서는 한 쌍의 두 입자가 서로 전멸할 기회가 생기기 전에 비틀려 떨어질 수 있습니다.블랙홀 주변 지역에서 이런 현상이 일어나면 반입자 파트너가 블랙홀에 잡히는 동안 한 입자가 빠져나갈 수 있다.

쌍생성은 또한 쌍생성이 갑자기 초거성 내부의 압력을 낮추어 부분적인 내폭과 폭발적 열핵 연소를 초래하는 쌍불안정 초신성 폭발의 메커니즘이기도 하다.초신성 SN 2006gy는 쌍생성형 초신성일 것으로 추측된다.

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레퍼런스

^ Das, A.; Ferbel, T. (2003-12-23). Introduction to Nuclear and Particle Physics. World Scientific. ISBN 9789814483339.
^ Stefano, Meroli. "How photons interact with matter". Meroli Stefano Webpage. Retrieved 2016-08-28.
^ Bywater, Jenn (29 October 2015). "Exploring dark matter in the inaugural Blackett Colloquium". Imperial College London. Retrieved 29 August 2016.
^ Hubbell, J.H. (June 2006). "Electron positron pair production by photons: A historical overview". Radiation Physics and Chemistry. 75 (6): 614–623. Bibcode:2006RaPC...75..614H. doi:10.1016/j.radphyschem.2005.10.008.
^ Kuncic, Zdenka, Dr. (12 March 2013). "PRadiation Physics and Dosimetry" (PDF). Index of Dr. Kuncic's Lectures. PHYS 5012. Sydney, Australia: The University of Sydney. Archived from the original (PDF) on 11 March 2016. Retrieved 2015-04-14.
^ "Laser technique produces bevy of antimatter". MSNBC. 2008. Retrieved 2019-05-27. The LLNL scientists created the positrons by shooting the lab's high-powered Titan laser onto a one-millimeter-thick piece of gold.

외부 링크

광자-충격 결합 없는 쌍 생성 이론

[1] Das, A.; Ferbel, T. (2003-12-23). Introduction to Nuclear and Particle Physics. World Scientific. ISBN 9789814483339.

[2] Stefano, Meroli. "How photons interact with matter". Meroli Stefano Webpage. Retrieved 2016-08-28.

[3] Bywater, Jenn (29 October 2015). "Exploring dark matter in the inaugural Blackett Colloquium". Imperial College London. Retrieved 29 August 2016.

[4] Hubbell, J.H. (June 2006). "Electron positron pair production by photons: A historical overview". Radiation Physics and Chemistry. 75 (6): 614–623. Bibcode:2006RaPC...75..614H. doi:10.1016/j.radphyschem.2005.10.008.

[5] Kuncic, Zdenka, Dr. (12 March 2013). "PRadiation Physics and Dosimetry" (PDF). Index of Dr. Kuncic's Lectures. PHYS 5012. Sydney, Australia: The University of Sydney. Archived from the original (PDF) on 11 March 2016. Retrieved 2015-04-14.

[6] "Laser technique produces bevy of antimatter". MSNBC. 2008. Retrieved 2019-05-27. The LLNL scientists created the positrons by shooting the lab's high-powered Titan laser onto a one-millimeter-thick piece of gold.

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