Proceso por el cual un fotón de alta energía o una interacción con un campo electromagnético genera un par partícula–antipartícula, con frecuencia un electrón y un positrón, convirtiendo la energía del fotón en masa en reposo y energía cinética de la pareja.

Principio

La conservación de la energía y del momento exige un umbral de al menos el doble de la energía de reposo de la partícula (por ejemplo 2 m_e c^2 para un electrón–positrón) y por lo general la presencia de un tercer cuerpo (núcleo, campo o segundo fotón) que transporte momento; la electrodinámica cuántica rige las amplitudes de interacción.

Demostración

Un fotón gamma con energía superior a 1,022 MeV pasa cerca de un núcleo atómico y produce un electrón y un positrón; el núcleo recibe un leve retroceso para satisfacer la conservación del momento, y la pareja comparte la energía excedente del fotón en forma de energía cinética.

Aplicación incorrecta

Suponer que un fotón libre único en el vacío puede producir una pareja partícula–antipartícula sin otra interacción; ignorar la conservación del momento o el umbral energético y predecir producción de pares donde no puede ocurrir.

Consecuencia

La energía del fotón se convierte en masa y energía cinética de partículas reales; la producción de pares impone un umbral energético claro, contribuye a procesos en cascada en entornos astrofísicos y de laboratorio y provoca la atenuación de rayos gamma en la materia.

Inversión

Aniquilación: el proceso inverso en el que una partícula y su antipartícula colisionan y convierten su masa y energía cinética en fotones (típicamente dos o más fotones gamma), devolviendo energía al campo radiativo.

Límite

Se aplica a interacciones electromagnéticas de alta energía que generan pares reales; excluye excitaciones de estados ligados, fluctuaciones virtuales de pares que no producen partículas sobre la masa de reposo y mecanismos no electromagnéticos salvo que exista un equivalente transporte de energía–momento.

Tensión semántica

Términos en competencia incluyen 'creación de pares' y procesos específicos como la 'producción Breit–Wheeler (a dos fotones)'; la confusión suele surgir entre fluctuaciones virtuales de pares (polarización del vacío) y producción real de pares con partículas on-shell.

Síntesis

La producción de pares es el proceso en QED mediante el cual la energía de un fotón superior a la energía de reposo combinada de una pareja, junto con un mecanismo que garantice la conservación del momento, se convierte en una pareja real partícula–antipartícula; es el inverso de la aniquilación y un canal fundamental de intercambio energía–materia en contextos de alta energía.