Как на самом деле работает производство гамма-гамма-пар?

Квантовая теория поля не предлагает описания того, «как» работают ее процессы, так же как ньютоновская механика не предлагает объяснения того, «как» силы сообщают ускорение, или общая теория относительности — объяснения того, «как» метрика пространства-времени подчиняется уравнениям Эйнштейна.

Предсказания квантовой теории поля и, в частности, квантовой электродинамики (КЭД) хорошо проверены. Имея два фотона с достаточной энергией, чтобы дать по крайней мере массу покоя электрон-позитронной пары, можно обнаружить, что КЭД предсказывает ненулевую амплитуду для процесса.$\gamma\gamma \to e^+ e^-$произойдет. Это все, что говорит нам теория. Никаких «флуктуаций», никаких «виртуальных частиц», ничего. Просто холодный, жесткий, количественный прогноз того, насколько вероятно такое событие.

Все остальное — например, смехотворное описание в статье в Википедии, которую вы цитируете, — это истории , в данном случае удобочитаемая интерпретация диаграмм Фейнмана, используемых для вычисления вероятности события, но не следует воспринимать как фактическое утверждение, что количественная теория делает.

Не существует «как», то, что происходит между входом и выходом процесса квантовой теории поля, представляет собой черный ящик, называемый «эволюцией во времени», который не имеет прямой, удобочитаемой интерпретации. Если мы разрешим его пертурбативно с помощью диаграмм Фейнмана, люди любят рассказывать истории о виртуальных частицах, но никто нас к этому не принуждает — можно организовать ряд по-другому, могут даже заставить (например, при сильной связи), или можно вообще не использовать ряд для вычисления вероятности. Единственный неприближенный ответ на вопрос, «как» процессы рассеяния происходят в квантовой теории поля, который может предложить КТП, — это сесть и вывести формулу LSZ для амплитуд рассеяния.с нуля, как это делается в большинстве книг по QFT. Что, как вы уже поняли из статьи в Википедии, в большинстве кругов не считается хорошей историей.

Но ни природа, ни наши модели не обязаны создавать хорошие истории. Наши модели должны давать точные предсказания , и это то, что делает квантовая теория поля.

Двухфотонная физика проходит через диаграммы более высокого порядка. В зависимости от энергии гамма-лучей предусматриваются даже гамма-гамма-коллайдеры .

Для гамма-гаммы с энергией центра масс ниже суммарной массы электрона и позитрона это самая низкая диаграмма высшего порядка.

Это для всех фотонов низкой энергии. Можно насчитать четыре электромагнитные вершины, которые будут умножать интеграл на$(1/137)^{1/2}$, и все будет возведено в квадрат, чтобы получить сечение. Это будет очень маленькое число, и именно поэтому для низких энергий нет измеримого двухфотонного рассеяния.

Когда энергия центра масс двух входящих гамма-излучения больше, чем удвоенная масса электрона, доминирующая диаграмма будет выглядеть так:

Обратите внимание, что теперь есть только две электромагнитные вершины для производства электрона и позитрона на оболочке. С очень энергичными фотонами открывается большое количество каналов рождения частиц, и ожидается, что сечение гамма-гамма-взаимодействий возрастет.

Однако, насколько мне известно, фотон с энергией 511 кэВ не тратит свою жизнь на волшебное превращение в электрон с энергией 511 кэВ и позитрон с энергией 511 кэВ. Это нарушение закона сохранения энергии. Точно так же электрон и позитрон не могут волшебным образом снова превратиться в один фотон с энергией 511 кэВ. Это нарушение закона сохранения импульса.

Я не знаю, откуда взялось это огромное заблуждение. Уж точно не из статей вики, на которые вы ссылались, или из чего-либо, написанного физиком. И образование пар, и аннигиляция частица-античастица являются действительными физическими процессами и происходят в соответствии со всеми известными законами сохранения:

• При аннигиляции частица-античастица всегда получается два или более фотона. В системе покоя электрон и позитрон имеют следующий 4-импульс

  $$p_{e^-}=(\sqrt{m_e^2+k^2},\vec{k})\qquad p_{e^+}=(\sqrt{m_e^2+k^2},-\vec{k})$$ а 4-импульс двух фотонов равен $$p_{\gamma_1}= (q, \vec{q})\qquad p_{\gamma_2}=(q, -\vec{q})$$ с$q=|\vec{q}|=\sqrt{m_e^2+k^2}$, так что энергия и импульс сохраняются, а фотоны движутся со скоростью$c$в то время как электрон позитрон медленнее.

• В производстве пары Брейта-Уилера кинематика точно такая же (вам нужно только поменять местами начальное и конечное состояния), и, следовательно, выполняются все законы сохранения.

• Термин «рождение пар» часто используется для обозначения другого процесса, в котором участвует только фотон, распространяющийся через материальную среду. Фотон рассеивается вместе с атомом с огромной массой, поэтому он может поглотить огромный импульс с незначительным изменением энергии. Эта установка является стандартным упражнением в релятивистской кинематике и оставлена ​​в качестве упражнения читателю.

В любом случае электрон и позитрон испускаются в противоположных направлениях (в системе покоя), так что не ожидается, что они снова встретятся. Точно то же самое относится и к двум фотонам, с дополнительной оговоркой, что их траектории гораздо труднее искривить. Поэтому почти невозможно (если не совсем невозможно), чтобы пара фотонов колебалась в пару электрон-позитрон. Я предполагаю, что ваше замешательство связано с диаграммой Фейнмана собственной энергии фотона.

Но вы должны помнить, что (реальная) физика не утверждает, что эти внутренние линии представляют что-либо, имеющее онтологический смысл. Даже если вы читаете научно-популярные статьи о виртуальных частицах (не делайте этого!), они объяснят, что виртуальные частицы находятся вне оболочки, поэтому их энергия и импульс независимы и могут сохраняться.

Вдобавок ко всему этому, образование пар, безусловно, происходит не потому, что оно возникло. Спонтанно. Как черви из грязи. В целом, это объяснение образования пар крайне неадекватно.

Квантовая механика — вероятностная теория. У каждого процесса есть вероятность произойти в диапазоне от 0 (невозможно) до 1 (всегда). Но$\{0\}$является набором меры 0, поэтому невероятно странно, что процесс имеет ровно 0 вероятности. Если только что-то другое не запрещает. Единственное «что-то еще», что мы знаем, это то, что какой-то закон сохранения не выполняется. По словам Гелл-Манна :

Все, что не запрещено, обязательно.

Мы уже установили, что образование пар подчиняется всем законам сохранения. Поэтому наиболее правдоподобный вывод состоит в том, что рождение пар происходит с ненулевой вероятностью. (Спойлер: если вы проведете расчеты, то обнаружите, что вероятность достаточно высока при высоких энергиях).

Если вы не убеждены в вероятностном характере рождения пар, то должны знать, что анализ электромагнитных ливней (включая рождение пар) в детекторах космических лучей и коллайдерах частиц состоит в монте-карловской (вероятностной) реконструкции процессов .

Это ближе всего к ответу на вопрос « почему происходит образование пар?» что наука может предложить вам (и ответ ACuriousMind наиболее близок к ответу на вопрос « как это происходит?»). Мне жаль, если вы разочарованы. Миссия науки состоит в том, чтобы создавать модели всего, что мы можем наблюдать или обнаруживать. Тестируемые модели. Мы не можем видеть ни чайник Рассела , ни гаражного дракона Сагана, ни внутреннюю часть горизонта событий, ни то, что произошло до Большого взрыва, ни то, что происходит во время рассеяния частиц. Даже не в принципе. Любая модель, которая только пытается объяснить что-либо из этого, не поддается проверке и, следовательно, ненаучна. Это было бы за пределами физики, и если вы знаете что-то об этимологии, «мета» означает запредельное,

Почему мы не можем видеть, что происходит во время взаимодействия? Единственный инструмент, который у нас есть для исследования субатомного мира, — это детекторы частиц, которые работают, измеряя энергию, которую некоторые частицы выделяют на них. Таким образом, чтобы быть обнаруженной, частица должна находиться в (почти) асимптотическом конечном состоянии, а ее энергия и импульс должны резко измениться. Измеряя, вы уничтожаете всю информацию о любом будущем столкновении. Это похоже на Ахиллеса — детектор частиц, пытающийся преследовать взаимодействие черепахи.

Знаете ли вы какой-нибудь неинвазивный метод исследования взаимодействия? Поздравляем! Вас ждут Нобелевская премия и множество грантов миллиардеров!

Мне нравится предлагать простое физическое описание. Математика идеальна для предсказаний, но не очень удовлетворяет ум, который хочет все сравнивать с обычной логикой и жизненным опытом и наотрез отказывается верить, что природа не обязана быть логичной или простой. Создание и уничтожение пар — это дар природы, помогающий нам объяснить происходящее, а не усложнять его еще больше.

Тот факт, что пара электрон и позитрон может превратиться в чистое излучение с полной эффективностью и без потерь и в полностью обратимом процессе в виде образования пары, говорит нам о том, что излучение и материя — это две фазы одного и того же. Общая фраза; Конденсация излучения для создания материи очень выразительна в этом отношении. Итак, давайте рассмотрим излучение как испаряемую материю, а уравнение Эйнштейна E=mc^2 описывает это изменение фазы.

Однако для того, чтобы излучение и материя были двумя фазами одного и того же, они должны нести одни и те же атрибуты, например, воду и пар. И это действительно так. Излучение, как и материя, обладает механическими и электрическими свойствами. Механические атрибуты в виде импульса и энергии и электрические атрибуты в виде электрических и магнитных полей. Но у него нет массы покоя, как у материи. Однако, задержав излучение между двумя зеркалами, вы получите массу покоя. Или заманить его в ловушку, заставив вечно вращаться по замкнутому кругу, и вы тоже получите массу покоя. Эта последняя возможность заключается в том, как излучение превращается в материю.

Есть много респектабельных статей, говорящих о циркулирующих потоках энергии внутри электрона, как, например, работа Гестена. Процесс напоминает процесс создания пары вихрей. Между ними есть большое сходство, которое было отмечено многими, а некоторые даже пытались применить операторы создания и уничтожения КМ к генерации вихрей в жидкостях. Генерация вихря производит вихрь и антивихрь, и при встрече они уничтожают друг друга. Более того, для возникновения вихря нужна граница или разрыв в поле потока жидкости. А в излучении вам нужно ядро, чтобы произошла конденсация. В то время как для аннигиляции вихрей не нужен катализатор, для аннигиляции пар тоже.

Приведенное объяснение состоит в том, что катализатор необходим для сохранения импульса, что справедливо как для создания вихрей, так и для образования пар. Но возможно и более математическое объяснение этому. Свободный поток жидкости подчиняется гиперболическим уравнениям, тогда как вихри подчиняются эллиптическим уравнениям. Катализатор — это то, что помогает потоку закручиваться и изменять уравнение. При образовании пар именно ядро ​​помогает излучению свернуться и стать материей, поскольку излучение описывается гиперболическими уравнениями (Максвелл), тогда как частицы описываются эллиптическими уравнениями (Дирак).

Результатом скручивания излучения является появление массы покоя и остальных свойств материи. Масса покоя является результатом удержания, а вместе с массой приходит и гравитация. Захваченное излучение должно быть в форме стоячих волн, чтобы избежать аннигиляции деструктивной интерференцией (очень похоже на то, что де Бройль представил для атома). Теперь стоячие волны имеют свое электрическое поле, направленное в двух противоположных направлениях, а не в одном направлении, как в волнах. При циркуляции направление становится радиальным с неисчезающей дивергенцией в результате - или электрического заряда (теорема Гаусса). Далее следуют спин и магнитный дипольный момент, а также тикающие часы электрона — Zitterbewegung Дирака.

Обратите внимание, что созданная пара не обязательно аннигилирует, и они могли бы избежать сил притяжения друг друга, если бы у них было достаточно кинетической энергии. Они могут даже захватывать друг друга в движении, как в нестабильном позитронии, обладающем всеми характеристиками атома. В более благоприятных условиях могли быть созданы и более высокие массы. Параллельным примером может служить нейтрон, нестабильный в свободном состоянии, но стабильный внутри ядра.

В то время как ученые наблюдали, как фотоны сталкиваются друг с другом и «создают» материю, мы просто наблюдаем материю после столкновения фотонов, мы действительно не знаем, что происходит, но мы можем наблюдать материю, которая появляется волшебным образом. Мы не можем видеть это маленькое, и ученые могут нарисовать диаграммы столкновения фотонов с множеством причудливых стрелок и сказать: «Ура, мы создали материю».

Что происходит на самом деле?

Ученые нарисовали подобные изображения, чтобы объяснить, как сталкивающиеся гамма-лучи создают подобные частицы.

Доказательства этого существуют в пузырьковых камерах, потому что это то, что мы можем видеть. Гамма-лучи при столкновении просто превращаются в материю. Пуф.

Давайте для начала посмотрим на аннигиляцию электронов и позитронов.

Выше мы видим электрон и позитрон, летящие навстречу друг другу и готовые столкнуться. Эта пара скоро превратится в гамма-лучи. Правильно, не ошибся!

Как именно это происходит? Стандартные научные тексты ничего не говорят по этому вопросу; только сообщает, что это происходит, но без объяснения возможных механизмов. К сожалению, это не очень полезно. Что нам нужно, так это замедленная версия событий, особенно того, что происходит в тот момент, когда частицы «вступают в контакт». Нет никакого способа увидеть что-либо в таком маленьком масштабе. Лучшее, что мы можем сделать, — это взглянуть на имеющиеся доказательства и предположить, что может иметь место. В идеале это предположение должно быть чем-то, что имеет смысл с точки зрения классической модели. Имея это в виду, ниже приводится версия того, что может произойти.

Взгляд крупным планом:

В этот момент кажется, что процесс будет повторяться, затем снова и снова. В основном частицы будут колебаться друг через друга, как если бы они были связаны пружиной. Будут ли колебания продолжаться вечно? Похоже, что это система без трения. Как это бывает, они не будут колебаться вечно. VDCL (Закон Кулона, зависящий от скорости) говорит нам, что когда противоположно заряженные частицы движутся вместе, сила между ними уменьшается. По мере того, как они расходятся, сила увеличивается. Это эффективно действует как форма демпфирования, которое медленно останавливает колебания.

В итоге перестает двигаться.

После того, как колебания прекратились, мы остаемся с чем-то вроде частицы-призрака. Его масса в два раза превышает массу электрона, но, что более важно, он имеет нулевой заряд.

Само собой разумеется, что частица без заряда ни на что сильно не повлияет и ни на что не повлияет. Для всех практических целей его может и не быть. И в этом суть. С точки зрения электричества эта составная частица фактически невидима. Электрон и позитрон в конце концов не аннигилировали. Они все еще там.

Еще одна цитата,

Есть еще один аспект процесса вымирания, который нуждается в объяснении, — испускание фотонов. Чтобы понять это, рассмотрим радиопередачи. Мы знаем, что когда вы колеблете электроны в антенне, они производят радиоволны, которые являются просто низкочастотными электромагнитными волнами. Что, если бы эта антенна содержала как электроны, так и позитроны, и они колебались бы в противоположных направлениях? Вместо того, чтобы подавлять сигналы друг друга, два набора зарядов будут объединяться, создавая волну с удвоенной амплитудой. Теперь снова посмотрим на электрон-позитронное взаимодействие. Они колеблются друг через друга, как и в антенне. Следовательно, мы должны также ожидать, что они производят электромагнитную волну. В этом случае частота будет намного выше из-за легкости вовлеченных частиц. Он может быть даже настолько высоким, что находится в спектре гамма-излучения. Таким образом, наиболее вероятное объяснение испускания фотонов заключается в том, что кратковременное колебательное взаимодействие между этими частицами порождает электромагнитную волну или, точнее, две волны (по одной на каждую частицу), которые имеют частоты в спектре гамма-излучения.

Итак, в заключение о создании света (энергии) из материи, мы не можем. На самом деле происходит то, что колебания позитронов и электронов на высоких скоростях создают эти гамма-лучи.

Итак, теперь, когда мы знаем, что не можем превратить материю в энергию, откуда мы знаем, что не можем превратить энергию в материю?

Как превратить энергию в материю? Ученые знают (или думают, что знают), что это возможно.

Ради обсуждения назовем эту составную позитронно-электронную частицу «позельтроном». Есть ли какой-нибудь способ для позелтрона развалиться, т. е. разбиться на составляющие его частицы? Одним из способов было бы подвергнуть его воздействию сильного электрического поля, которое поляризовало бы составные частицы и разделило их. Но он должен быть чрезвычайно сильным, потому что позитрон и электрон находятся в прямом контакте.

Итак, если вы встряхнете две частицы вместе, вы, возможно, сможете встряхнуть их. Если происходят подобные реакции, вероятно, ускоряющийся гамма-луч может легко попасть в позелтрон и разбить его на части.

Позелтроны вибрируют на частоте гамма-лучей, так что не логично ли, что эта же частота может их разлучить?

Допустим, позелтроны существуют, но подумайте об этом, как часто электрон встречается с позитроном. Не очень часто, поэтому, если они существуют, то, вероятно, очень широко распространены.

Низкая плотность позелтронов в природе также объясняет, почему электрон-позитронные пары создаются лишь изредка — для того, чтобы могло произойти преобразование, должен существовать существующий позельтрон. Согласно современной научной модели, фотон с достаточной энергией может превратиться в пару электрон-позитрон, но сделать это будет без видимой причины, т.е. случайно, без причины и следствия. Эта модель противоречит здравому смыслу.

Еще одна причина, по которой существуют «позелтроны»,

Есть еще один способ создания позитронов — процесс, известный как «протонная конверсия». Когда натрий-22, нестабильный изотоп натрия, распадается, он превращается в неон-22. При этом он также испускает позитрон и гамма-луч.

Стандартная теория говорит нам, что существует два способа преобразования протона. В котором протон и электрон образуют нейтрон. Другой, в котором создается пара электрон-позитрон, после чего электрон поглощается, а позитрон выбрасывается. Если подумать, то в данном случае более вероятным является второй способ преобразования протонов. В то время как протоны и электроны, вероятно, могут объединяться. Согласно современным теориям, Натрий-22 может просто волшебным образом из ниоткуда создать эту пару электрон-позитрон и преобразовать один из своих протонов в нейтрон. Допустим, это правда, откуда берется вся эта энергия, необходимая для создания пары электрон-позитрон. Ядро не может создать его, если у него нет внешнего источника энергии.

Так что же происходит на самом деле?

Сначала позелтрон дрейфует в ядра атома натрия-22.

Движение, вызванное сильными силами в ядре атома, затем разрывает позельтрон на электрон и позитрон. Электрон поглощается протоном и превращается в нейтрон. Позитрон выбрасывается из-за его положительного заряда и захватывает электрон на выходе или остается в виде позитрона. Гамма-лучи генерируются разрывными колебаниями позельтрона.

Итак, в заключение,

Электрон и позитрон сталкиваются, встречаются и проходят друг через друга, генерируя гамма-лучи, а затем образуют необнаруживаемый позелтрон с нулевым зарядом. Это почти незаметно.

Ученые: «Ура, мы сделали энергию из материи»

Вся эта материя все еще там, энергия, которую они создали, — это электромагнитные поля, созданные колебанием.

Некоторые гамма-лучи случайно сталкиваются с позелтроном, заставляя его раскачиваться и разбивать две частицы. В то же время часть этой энергии поглощается частицами.

Ученый: «ура, мы сделали материю из энергии, мы такие умные»

На самом деле ничего не было сделано, просто материя снова стала видимой.

Следовательно, закон сохранения массы и закон сохранения энергии не были нарушены, и Вселенная снова имеет смысл. ура

Извините за орфографические ошибки, это так долго, проверка правописания только что умерла. ;)