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Lexikon der Physik: Paarbildung

Paarbildung, Paarerzeugung, allgemein die Erzeugung von Teilchen und dem entsprechenden Antiteilchen. Im engeren ursprünglichen Sinne die Umwandlung eines Photons in ein Elektron (e-)-Positron (e+)-Paar. Paarbildung umfaßt aber auch z.B. die Bildung von Myon-Paaren und Quark-Antiquark-Paaren in der starken Wechselwirkung. Neben Photoeffekt und Compton-Streuung einer der drei wichtigsten Prozesse des Energieverlusts in Materie für Photonen. Wenn die Energie des Photons die doppelte Ruheenergie des Elektrons 2 mec2 = 1,022 MeV überschreitet, wird Paarbildung (siehe Abb.) im Feld eines Kernes möglich:



Oberhalb etwa 3 MeV dominiert Paarbildung die anderen Prozesse der Energieübertragung. Die Paarerzeugung wurde 1933 bei der Analyse von Gammastrahlung radioaktiver Quellen von Irène und Jean Frédéric Joliot-Curie entdeckt und 1934 durch Bethe und Heitler theoretisch erklärt. Paarbildung im Vakuum würde die Energie- und Impulserhaltung verletzen. Zerfällt ein Photon der Energie

in ein e+e--Paar, wobei jedes eine kinetische Energie (γ – 1) mec2 (

) trägt, so liefern die Energie- und Impulserhaltung (im Falle parallel zur ursprünglichen Richtung des Photons fliegender Elektronen):



Da die Geschwindigkeit der Elektronen v nie so groß wie die Lichtgeschwindigkeit c sein kann, können Energie und Impuls im Vakuum nach obigen Gleichungen nicht gleichzeitig erhalten sein. Daher kann Paarbildung nicht im Vakuum, sondern nur z.B. im Feld eines Kernes stattfinden, der etwas Energie oder Impuls aufnehmen kann. Der Wirkungsquerschnitt

für Paarbildung ist energieabhängig. Für mittlere Photonenenergien (

, mit α als Feinstrukturkonstante und Z als Kernladungszahl des umgebenden Materials) ergibt sich zu



(

: klassischer Elektronenradius), im ultrarelativistischen Limit mit vollständigem Screening (Abschirmwirkung der Hüllenelektronen auf das Kern-Coulomb-Feld) zu



Die Konversionslänge für Paarbildung läßt sich in Strahlungslängen der Bremsstrahlung X0 leicht ausdrücken in der Form

, da sich beide Prozesse bis auf kinematische Faktoren gleichen. Die Paarbildung an Elektronen kann auf Grund der höheren Schwellenenergie von 4 mec2 vernachlässigt werden. Der Winkel

zwischen Elektron und Positron ergibt sich zu



Innere Paarbildung kann oberhalb der Grenzenergie 1,02 MeV auch als Konkurrenzprozeß zur inneren Konversion beobachtet werden, wenn die Emission von γ-Strahlung durch Auswahlregeln behindert ist, was immer bei elektrischen Monopolübergängen der Fall ist. Paarbildung ist der wichtigste Abregnungsmechanismus bei der Wechselwirkung von Photonen und Elektronen der kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre und führt damit zur Ausbildung ausgedehnter Elektron-Photon-Schauer. Die Identifizierung von Elementarteilchen nutzt oftmals auch die Paarbildung aus. Über den Nachweis der Elektron-Positron-Paare kann man auf das neutrale Teilchens schließen (z. B. π0



e+e-). Für Anwendungszwecke hat v.a. der zur Paarbildung inverse Prozeß der Paarvernichtung oder Annihilation Bedeutung erlangt.



Paarbildung: Feynman-Diagramm zur Paarbildung im Feld eines Kerns.

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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
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Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
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Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
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Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
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Dr. Michael Eckert, München [ME] (A) (02)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
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Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
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Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
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Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
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Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
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Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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