쌍생성

쌍생성이란 입자와 그 반입자가 만들어지는 충돌과정이다. 예를 들어 전자와 양전자, 뮤온과 반뮤온, 혹은 양성자와 반양성자 등이 만들어지는 과정이다. 핵 주위에서 광자가 전자·양전자쌍을 만들어내는 과정을 흔히 쌍생성이라고 하지만, 일반적으로는 임의의 중성보손이 입자와 반입자 쌍을 만들어내는 것을 의미한다.

쌍생성이 일어나려면 상호작용을 일으키는 들어오는 입자의 에너지가 입자쌍을 만들기 위한 문턱에너지보다 높아야 한다. 즉 적어도 입자쌍의 정지에너지보다는 커야 한다. 또한 이 과정에서 운동량도 보존되어야 한다. 그러나 각운동량, 전하, 경입자수와 같은 모든 다른 보존되는 양자수는 더해서 0이 되어야 하므로 만들어진 입자쌍은 서로 반대값을 갖는다. 예를 들어 한 입자의 전하가 +1이면 다른 입자의 전하는 -1이어야 한다. 또 한 입자의 기묘도가 +1이면 다른 입자의 기묘도는 -1이어야 한다.

핵물리에서, 이 현상은 높은 에너지의 광자가 핵근처에서 상호작용하여 운동량 보존법칙에 위배되지 않도록 전자와 양전자쌍을 만드는 것이다. 처음에 광자의 운동량이 무언가에 의해 흡수되어야만 하기 때문에 쌍생성은 하나의 광자만 있는 빈 공간에서는 일어날 수 없다. 핵 또는 또 다른 광자가 쌍생성 전후의 에너지와 운동량이 모두 보존될 수 있도록 한다.

그림 1. 광자가 핵에 흡수되어 전자·양전자 쌍이 생성되는 그림: 에너지, 운동량이 보존된다. ()

광자-핵의 쌍생성은 광자의 에너지가 전자의 정지에너지의 두 배인 1.022 MeV가 넘는 경우에만 일어날 수 있다. 광자-광자의 쌍생성의 경우에는 각 광자의 에너지가 511 keV이상이면 가능하다. 높은 에너지의 타우입자와 같은 다른 경입자에서도 이와 같은 보존법칙이 적용된다. 이러한 상호작용은 블래킷(P. M. S. Blackett, 1897-1974)에 의해 처음으로 관측되었고 이로 인해 1948년에 노벨 물리학상을 수상하였다.