Рождение пары от одного гамма-фотона до электрона и позитрона

Одиночный фотон может образовать пару только в присутствии какого-либо другого тела, такого как атомное ядро. Это дополнительное тело необходимо для сохранения импульса. В случае образования пары из одного фотона фотон должен иметь достаточно энергии для образования как частицы, так и античастицы, например, для образования пары электрон-позитрон ему потребуется энергия 1022 кэВ.

Когда электрон и позитрон аннигилируют, они производят два фотона с энергией 511 кэВ, так что ни один из этих двух фотонов не имеет достаточно энергии, чтобы создать другую пару электрон-позитрон.

В принципе, два фотона с энергией 511 кэВ могут взаимодействовать друг с другом, образуя пару электрон-позитрон, но оказывается, что вероятность этого процесса исчезающе мала, поэтому на практике он никогда не наблюдается.

Касательно диаграммы Фейнмана: очень, очень важно понимать, что диаграмма Фейнмана — это не описание того, что происходит с частицами. Это графическое представление интеграла, называемого пропагатором . Вы не должны пытаться интерпретировать это как какой-то физически происходящий процесс, так как это может ввести вас в заблуждение.

Обратите внимание на диаграмму Фейнмана, которая описывает, как один фотон может дать пару электронов позитронов по приведенной вами ссылке :

Гамма, выходящая из Z (ядра с электрическим полем), называется виртуальной, а две частицы являются результатом попадания гамма-излучения в ядро, что обеспечивает сохранение импульса при создании пары. Отдельный фотон не имеет центра масс и всегда движется со скоростью c. Электрон позитрон имеет центр масс и может быть создан с нулевым импульсом пары (всегда можно перейти в инерциальную систему отсчета, где пара находится в покое), поэтому один фотон по законам сохранения не может создать пару.

Ваше предложение в конце вопроса также нарушило бы сохранение энергии.

Из диаграммы Фейнмана вы показываете, что можно рассчитать вероятность аннигиляции, когда позитрон рассеивает электрон. В центре системы масс два фотона расходятся в равных и противоположных направлениях, и импульс и энергия сохраняются. Линия, соединяющая вершины, есть виртуальный электрон. Чтобы понять математику, нужно изучить квантовую теорию поля.

Электрон-позитронная аннигиляция требует образования двух фотонов для сохранения импульса (два фотона должны двигаться в противоположных направлениях).

Для образования пар одиночный влетающий фотон не создаст пару электрон-позитрон, поскольку сохранение импульса не будет выполняться.

Но сохранение импульса произойдет, и этот процесс будет разрешен, если рядом с вами будет какая-то другая заряженная частица, которая позаботится об импульсе фотона (такое взаимодействие обычно происходит вблизи ядра).

Вы также добавили диаграмму Фейнмана и спросили, что означает линия между ними. Эта линия называется пропагатором и математически выражает амплитуду вероятности взаимодействия частиц между двумя точками пространства-времени. Кажется, вы подразумеваете, что частицы следуют путям, описанным этими диаграммами. Частицы не имеют классических траекторий, как следует из диаграмм. Скорее, это графические описания математических объектов.