Paarproduktion

Paarproduktion bezeichnet in der Teilchenphysik die Erzeugung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares aus Energie, üblicherweise Elektron-Positron-Paare, durch Umwandlung von Photonen oder Feldern. Nach der Massenergierhaltung muss mindestens die Ruheenergie von zwei Elektronenmassen bereitgestellt werden. In der Praxis erfolgt dies oft durch äußere Felder oder Impulse, die Impuls- und Energiesatz erfüllen.

Hauptmechanismen sind der Bethe-Heitler-Prozess und der Breit-Wheeler-Prozess. Beim Bethe-Heitler-Prozess erzeugt ein hochenergetisches Photon in der Nähe eines Atomkerns Elektron und Positron; das Kernfeld ermöglicht die Impulsübertragung. Die Schwelle liegt bei 1,022 MeV. Das Kreuzponsatzverhalten steigt mit der Kernladungszahl Z und wird bei schweren Kernen besonders bedeutsam. Beim Breit-Wheeler-Prozess kollidieren zwei Photonen direkt zu einem Paar; dieser Prozess ist in reinen Photonenkollisionen möglich, aber die Wahrscheinlichkeit ist generell klein und steigt in Feldern oder Umgebungen mit hoher Photonenenergiedichte.

Eine weitere Möglichkeit ist der Schwinger-Effekt: Unter extrem starken elektromagnetischen Feldern kann das Vakuum Elektron-Positron-Paare hervorbringen. Die relevanten Felder liegen nahe der Schwinger-Feldstärke von etwa 1,3 × 10^18 V/m; die Rate hängt stark von Feldkonfiguration und -stärke ab.

Bedeutung und Anwendungen: Paarproduktion ist ein grundlegender Prozess der Quantenelektrodynamik. Sie dient in Detektoren zum Nachweis hochenergetischer Photonen, beeinflusst die Abschwächung kosmischer Gammastrahlung und spielt eine zentrale Rolle in theoretischen Modellen der Teilchen- und Astrophysik.