Produzione di coppie

Produzione di coppie Fenomeno fisico quantistico che consiste nella trasformazione di un fotone ad alta energia in una coppia particella-antiparticella di massa corrispondente. Nella maggior parte dei casi, la coppia è costituita da un elettrone e da un positrone. Insieme all’effetto fotoelettrico e all’effetto Compton, la produzione di coppie è uno dei tre possibili modi di interazione tra radiazione e materia; dei tre, è il più probabile per le alte energie (intorno a 10 MeV, 10 milioni di eV). Si verifica quando un fotone gamma di energia opportuna penetra nella materia e transita in prossimità del nucleo di un atomo.

In natura, la produzione di coppie ha luogo per effetto dei raggi cosmici, mentre negli acceleratori è un effetto che accompagna la produzione di radiazione di bremsstrahlung. Il fenomeno rappresenta una prova evidente dell’equivalenza tra energia e materia, teorizzata da Albert Einstein e formalizzata nella celebre relazione E = mc².

Perché si verifichi la produzione di una coppia, un fotone deve avere un’energia pari almeno alla somma delle masse a riposo delle due particelle (per massa a riposo si intende la massa della particella in quiete).

Nel caso della coppia elettrone-positrone, poiché la loro massa corrisponde a 0,51 MeV ciascuno, il fotone deve avere un’energia di almeno 1,02 MeV; se ne ha di più, la differenza viene ripartita tra le due particelle prodotte, sotto forma di energia cinetica. Delle due particelle generate, il positrone ha vita breve: in genere interagisce con un altro elettrone andando incontro ad annichilazione. Questa può essere considerata il processo opposto alla produzione di coppie: la fusione di una particella e della sua antiparticella a dare radiazione elettromagnetica di energia equivalente.

Un evento di produzione di coppie può essere individuato in un rivelatore a tracce, come una camera a nebbia o a bolle, dalla comparsa di una coppia di tracce simmetriche che si dipartono dal punto in cui ha avuto luogo la trasformazione. Le due traiettorie sono elicoidali, con uguale raggio di curvatura e avvolte in senso opposto l’una rispetto all’altra. Una particella carica in un campo magnetico, infatti, percorre una traiettoria circolare di raggio inversamente proporzionale alla propria massa, procedendo in un senso o nell’altro, a seconda del segno della carica; i meccanismi di dissipazione dell’energia producono poi una progressiva riduzione del raggio di curvatura e quindi una degenerazione della traiettoria circolare in traiettoria elicoidale. Le tracce lasciate da un elettrone e da un positrone hanno uguale curvatura perché le due particelle hanno la stessa massa, e si trovano dalla parte opposta rispetto al punto della trasformazione perché hanno carica elettrica opposta.