Kreacja par (tworzenie par) – proces powstania pary cząstka-antycząstka z
energii
fotonu
(neutralnego
bozonu
), jest procesem odwrotnym do
anihilacji
.
Wyróżnia się dwie odmiany kreacji par: trwałą i wirtualną.
Trwała kreacja cząstek
Kreacja pary cząstka-antycząstka jest trwała, czyli powstałe cząstki istnieją po akcie kreacji dowolnie długo. W procesie takiej kreacji spełniona jest
zasada zachowania energii
,
pędu
i inne
zasady zachowania
. Zdarzenia takie można obserwować w procesach, w których oddziałujące cząstki mają dostatecznie wysoką energię, czyli np. w oddziaływaniu
promieniowania kosmicznego
z cząstkami
atmosfery
czy w
akceleratorach
.
Przykładem jest powstanie pary
mion
-antymion w wyniku zderzenia
elektron
-
pozyton
:
Pojawiający się w tej reakcji
foton
nie jest rzeczywistą cząstką – jest
wirtualny
, ponieważ przenosi
pęd
nie spełniający zasady zachowania pędu, co jest jednak zgodne z
elektrodynamiką kwantową
. Pary cząstek mogą powstawać nie tylko z fotonów, ale również z
bozonów Z0
, jednak jest to proces występujący znacznie rzadziej.
Gluony
mogą również kreować pary, jednak w tym przypadku możliwa jest tylko kreacja par
kwark-antykwark
, z uwagi na niezerowy
ładunek kolorowy
niesiony przez gluony.
Możliwa jest też kreacja rzeczywistych par cząstek naładowanych przez rzeczywiste fotony, pod dwoma warunkami
- energia fotonu musi być wyższa, niż suma mas kreowanych cząstek,
- w procesie uczestniczy dodatkowy obiekt, który przejmie nadmiar pędu, tak by spełnione były zasady zachowania pędu i energii.
Schemat kreacji pary elektron pozyton
W praktyce kreacja par przez rzeczywiste fotony zachodzi zwykle w silnym zewnętrznym
polu elektrycznym
, najczęściej w polu
jądra atomowego
. Jądro (ogólniej źródło pola zewnętrznego) jest wówczas obiektem przejmującym nadmiar pędu.
Przekrój czynny
na taki proces rośnie szybko z
ładunkiem elektrycznym
jądra, czyli najłatwiej zachodzi on w ośrodku materialnym zawierającym duże ilości
pierwiastków
ciężkich.
Prawdopodobieństwo
zajścia procesu kreacji pary jest proporcjonalne to odwrotności kwadratu masy kreowanych cząstek. Oznacza to, że nawet jeżeli energia początkowa fotonu wystarcza na produkcję cząstek cięższych, zdecydowanie najczęściej produkowane są pary najlżejszych cząstek naładowanych, czyli pary
elektron
-
pozyton
. Zjawisko kreacji pary elektron-pozyton przez rzeczywisty foton w ośrodku materialnym bywa nazywane konwersją fotonu.
Kreacja cząstek wirtualnych
Zasada nieoznaczoności
pozwala na krótkotrwałe pojawienie się energii, która może wystąpić w postaci pary cząstka-antycząstka. Taka
wirtualna para cząstek
żyje przez czas ograniczony zasadą nieoznaczoności w postaci:
gdzie:
- Δt – czas na jaki pojawia się energia
- ΔE – ilość pojawiającej się energii
- h –
stała Plancka
Z powyższego wzoru wynika, że im masywniejsze są wirtualne cząstki, tym krócej żyją. Istnienie wirtualnych cząstek wyjaśnia niektóre zjawiska kwantowe.
Doświadczalne występowania cząstek wirtualnych
Nie istnieje możliwość bezpośredniej obserwacji powstających par wirtualnych cząstek, jednak istnieją pośrednie dowody zachodzenia tego zjawiska: