En física, la producción de pares es el proceso en el que un fotón de alta energía crea, al interactuar con la materia, un par constituidos por un electrón y su antipartícula, el positrón. Para que la reacción ocurra debe cumplirse la conservación de energía y momento; por eso el fotón normalmente interactúa con el núcleo de un átomo (o, con menor probabilidad, con un electrón ligado), ya que el núcleo puede absorber el momento transferido y permitir la creación de las dos partículas. El fotón cede su energía para producir las dos masas en reposo (2·mec2) más la energía cinética de las partículas y la energía de retroceso del núcleo.

Mecanismo y umbral energético

El umbral mínimo de energía para producir un par electrón-positrón es 2·mec2 ≈ 1,022 MeV. Esto significa que fotones con energía inferior a ≈1,022 MeV no pueden generar pares en el campo de un solo núcleo. Además del caso en el campo nuclear, existe la producción en el campo de un electrón (producción triplete) y la creación por colisiones fotón–fotón en condiciones de alta energía, procesos que requieren condiciones y energías distintas.

Dependencia de la probabilidad

La probabilidad (sección eficaz) de producción de pares aumenta con la energía del fotón por encima del umbral y también depende fuertemente del número atómico del material con el que interactúa: materiales con Z alto favorecen la producción de pares. A energías altas la sección eficaz para pares tiende a crecer con Z² aproximadamente, aunque el detalle depende de correcciones nucleares y de pantalla electrónica. En términos prácticos, aunque el umbral es ≈1,022 MeV, la contribución relativa de la producción de pares frente a otros procesos (efecto fotoeléctrico, dispersión Compton) se vuelve significativa solo a varios MeV; por ejemplo, en materiales de baja Z la producción de pares domina a decenas de MeV, mientras que en materiales pesados puede aparecer como proceso dominante ya a energías más bajas.

Proceso posterior: positrón, ionización y aniquilación

El electrón producido es de carga negativa y el otro, el positrón, tiene carga positiva. El positrón pierde energía por ionización y excitación del medio (se ioniza) hasta que su energía es baja; puede entonces formar un estado ligado con un electrón (positronio) o aniquilar directamente con un electrón libre o ligado. La aniquilación produce típicamente dos fotones de 511 keV emitidos en direcciones aproximadamente opuestas, señal característica utilizada en detectores y en técnicas como la tomografía por emisión de positrones (PET).

Relevancia práctica y aplicaciones

  • En radioterapia con haces de fotones de muy alta energía la producción de pares puede ocurrir en el paciente o en la cabezal del acelerador, contribuyendo a la distribución de dosis y a la generación de radiaciones secundarias.
  • En detectores de partículas y calorímetros, la producción de pares es un mecanismo importante para convertir fotones de alta energía en señales detectables (trayectorias de electrones y positrones, y fotones de aniquilación).
  • En astrofísica de altas energías y física de aceleradores, la creación de pares por colisiones fotón–fotón o en campos intensos es un fenómeno relevante para la dinámica de fuentes de radiación gamma.

Relación con otros procesos de interacción fotón–materia

La producción de pares es uno de los tres procesos principales por los que los fotones interactúan con la materia, junto con el efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton. Cada proceso domina en distintos rangos energéticos: el fotoeléctrico predomina a bajas energías y en materiales de alto Z, la dispersión Compton en el rango intermedio y la producción de pares en el extremo alto del espectro energético. Aunque está relacionada en cuanto a que todas son interacciones fotón–materia, la producción de pares es físicamente distinta del efecto fotoeléctrico.

En resumen, la producción de pares convierte fotones de energía suficiente en un electrón y un positrón mediante la interacción con el campo de un núcleo o de un electrón, tiene un umbral claro de energía (≈1,022 MeV), aumenta su probabilidad con la energía del fotón y con el número atómico del material, y tiene importantes consecuencias experimentales y clínicas por las partículas y radiaciones secundarias que genera.