30-2 Vznik a zánik párov, kreácia a anihilácia

30-2 Vznik a zánik párov, kreácia a anihilácia

Z toho, čo sme povedali o Diracovej teórii môžeme usúdiť, že vznik určitého pozitrónu si vyžaduje, aby sme z mora Diracových častíc vytrhli jeden elektrón. Keď tento elektrón opustí rovnomerne vyplnené more neviditeľných častíc, stane sa viditeľným ako riadny registrovateľný elektrón so záporným elektrickým nábojom (− e) a s kladnou hmotnosťou m. Stane sa registrovateľným aj zanechané prázdne miesto ako častica s  kladným elektrickým nábojom (+ e) a s kladnou hmotnosťou m. To znamená, že pozitróny a elektróny musia vznikať v pároch. Tieto procesy nazývame vznikom elektrón-pozitrónového páru (kreácia), čo nie je úplne správne, lebo navádza dojem, že elektrón-pozitrónový pár vzniká z  ničoho. V skutočnosti by však tento pár nevznikol bez energie, ktoré proces vyžaduje, a vďaka ktorej aj prebehne bez porušenia zákona zachovania energie. Podľa Einsteinovej ekvivalencie energie a hmotnosti E = mc2 vznik páru vyžaduje energiu, ktorá je rovná dvojnásobku pokojovej energie elektrónu E = 2(9,11 kg)(3 × 108 m/s)2 = 1,64 × 10−13 J = 1,02 MeV. Preto, ak nejakú látku budeme ožarovať elektromagnetickým žiarením, ktorého fotóny majú energiu 1,02 MeV (alebo väčšiu), môžeme očakávať, že niektoré fotóny žiarenia vyvolajú vznik elektrón-pozitrónového páru (čím fotón zanikne). Vznik elektrón-pozitrónových párov v atmosfére objavil Anderson (pomocou hmlovej komory dokázal ich vznik aj v kovových plátoch). v atmosfére dochádza k vzniku elektrón pozitrónových párov pôsobením vysoko energetických gama častíc kozmického žiarenia (obr. 30.2). Po tejto skúsenosti sa fyzici naučili, že ako sa dajú ožarovaním rôznych látok vysokoenergetickým gama žiarením vytvárať elektrón-pozitrónové páry.

Opakom vzniku elektrón-pozitrónového páru je ich zánik, anihilácia. Stane sa to vždy, keď pozitrón sa zrazí s normálnym elektrónom. Podľa Diracovej teórie sa to stane vtedy, keď normálny záporný elektrón pohybujúci sa v mori rovnomerne rozdelených „mimoriadnych“ elektrónov narazí na prázdne miesto, na dieru a zapadne do nej. V  tomto procese zmiznú dve samostatné častice, a z daného miesta sa vyžiari dvojica gama častíc, ktorých spoločná energia sa rovná energii zmiznutej hmoty podľa Einsteinovej relácie ekvivalencie. Je možné ľahko pochopiť, že vznik dvojice fotónov vyžaduje zákon zachovania hybnosti. Predstavme si, že pomaly sa pohybujúci elektrón sa stretne s pomaly sa pohybujúcim pozitrónom, a zaniknú v anihilácii – spoločná hybnosť elektrón-pozitrónového páru bola prakticky nulová. Ak vyletí jeden fotón, má hybnosť v smere, v ktorom vylieta, preto musí vzniknúť aj druhý fotón, ktorý vyletí v opačnom smere s rovnako veľkou hybnosťou – takto už majú spoločne nulovú hybnosť. Diracova teória nie len predpovedala existenciu pozitrónu – ešte pred jeho objavením – ale dala aj vynikajúci matematický aparát k výpočtu pravdepodobnosti vzniku elektrón-pozitrónových párov za rôznych daných okolností, ako aj pravdepodobnosti zániku elektrón-pozitrónového páru pri ich zrážke. Všetky teoretické predpovede boli v dokonalom súhlase s experimentálnymi zisteniami.