Создание пары — это когда энергичный фотон при взаимодействии с сильным электрическим полем, окружающим ядро, образует пару электрон-позитрон. Аннигиляция — это обратное явление, когда пара электрон-позитрон производит два фотона при взаимодействии с ядром.
Но как это происходит? В смысле, зачем им сильное электрическое поле и ядра?
(Необходима ли для этого процесса сильная ядерная сила?)
Аннигиляция может произойти, когда сумма всех квантовых чисел двух сталкивающихся частиц равна нулю. Это может быть электрон на позитроне, протон на антипротоне, нейтрон на антинейтроне, кварк на антикварке и т. д. Ответственная сила зависит от возможных взаимодействий аннигилирующих частиц.
В случае электрон-позитронной аннигиляции в первую очередь задействована электромагнитная сила, поэтому на выходе обычно получают два фотона, чтобы сохранить квантовые числа и импульс (одиночный фотон не сохраняет спин так же, как спин система электрон-позитрон четная). Аннигиляция на четыре фотона очень сильно подавляется константой связи 1/137, входящей в каждую вершину фотона.
В случае протон-антипротон главной силой является сильное взаимодействие, а продуктами являются различные адроны, мезоны, которые сохраняют квантовые числа, так как именно кварки и антикварки исчезают и перестраиваются в мезоны.
Аннигиляция не требует наличия других полей.
Создание пар одним фотоном требует внешнего поля для сохранения импульса, как утверждает @KarsusRen в своем ответе. Взаимодействие является электромагнитным. Можно думать об этом как о фотонном рассеянии фотонов, где один из фотонов является виртуальным и выходит из поля ядра. Глюоны несвободны, поэтому нельзя наблюдать свободное рождение пар антипротон-протон, но диаграммы существуют.
Вот интересное измерение гамма-гамма-столкновений вне оболочки, когда оба фотона вне оболочки, генерируя пару протон-протон, которое показывает, как далеко можно зайти с концепцией рождения и аннигиляции пар.
Электрон и позитрон могут аннигилировать в свободном пространстве, но отдельный фотон не может превратиться в пару электрон-позитрон, потому что не может быть выполнен закон сохранения энергии-импульса. Ядро при образовании пары поглощает часть импульса.
Анна В