Античастица

Было предложено объединить эту статью в Antimatter . ( Обсудить ) Предлагается с января 2021 года.

Антивещество
Аннигиляция
Устройства Ускоритель частиц Ловушка Пеннинга Камера Уилсона
Античастицы Позитрон Антипротон Антинейтрон
Использует Позитронно-эмиссионная томография Топливо Оружие
Тела АЛЬФА Сотрудничество АФИНА ЛОВУШКА ЦЕРН RHIC
Люди Поль Дирак Карл Дэвид Андерсон Андрей Сахаров
v т е

Иллюстрация электрического заряда частиц (слева) и античастиц (справа). Сверху вниз; электрон / позитрон , протон / антипротон , нейтрон / антинейтрон .

В физике элементарных частиц каждый тип частицы связан с античастицей с той же массой, но с противоположными физическими зарядами (такими как электрический заряд ). Например, античастица электрона - это антиэлектрон (который часто называют позитроном ). В то время как электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и образуется естественным образом при определенных типах радиоактивного распада . Верно и обратное: античастица позитрона - электрон.

Некоторые частицы, такие как фотон , являются собственными античастицами. В противном случае для каждой пары партнеров-античастиц одна обозначается как нормальная частица (из которых состоят все частицы, с которыми обычно взаимодействуют), а другая (обычно с префиксом «анти-») - как античастица .

Пары частица-античастица могут аннигилировать друг друга, производя фотоны ; поскольку заряды частицы и античастицы противоположны, общий заряд сохраняется. Например, позитроны, образующиеся в результате естественного радиоактивного распада, быстро аннигилируют с электронами, образуя пары гамма-лучей - процесс, используемый в позитронно-эмиссионной томографии .

Законы природы почти симметричны относительно частиц и античастиц. Например, антипротон и позитрон могут образовывать атом антиводорода , который, как полагают, имеет те же свойства, что и атом водорода . Это приводит к вопросу о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к тому, что Вселенная почти полностью состоит из материи, а не является смесью вещества и антивещества наполовину . Открытие нарушения зарядовой четности помогло пролить свет на эту проблему, показав, что эта симметрия, изначально считавшаяся идеальной, была лишь приблизительной.

Поскольку заряд будет сохраняться , не представляется возможным создать античастица либо без уничтожения другой частицы того же заряда (как, например , тот случай , когда античастицы производятся естественным образом с помощью беты - распада или столкновений космических лучей с атмосферой Земли), или одновременное создание как частицы, так и ее античастицы, что может происходить в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе .

Хотя частицы и их античастицы имеют противоположные заряды, электрически нейтральные частицы не обязательно должны быть идентичны своим античастицам. Нейтрон, например, состоит из кварков , антинейтрон - из антикварков , и они отличаются друг от друга, потому что нейтроны и антинейтроны аннигилируют друг с другом при контакте. Однако другие нейтральные частицы являются собственными античастицами, например фотоны ,  бозоны Z 0 ,π0 мезоны , гипотетические гравитоны и некоторые гипотетические вимпы .

История [ править ]

Эксперимент [ править ]

В 1932 годе , вскоре после предсказания позитронов по Полям Дирака , Карл Д. Андерсон обнаружил , что космические лучи столкновения получают эти частицы в камере Вильсона - это детектор частиц , в котором двигаются электроны (или позитроны) оставляют позади трасс , как они перемещаются через газ. Отношение электрического заряда к массе частицы можно измерить, наблюдая за радиусом закручивания ее трека в камере Вильсона в магнитном поле.. Позитроны из-за направления, в котором изгибались их пути, сначала были приняты за электроны, движущиеся в противоположном направлении. Пути позитронов в камере Вильсона проходят по той же спиральной траектории, что и электрон, но вращаются в противоположном направлении по отношению к направлению магнитного поля из-за того, что они имеют одинаковую величину отношения заряда к массе, но с противоположным зарядом и, следовательно, противоположные знаковые отношения заряда к массе.

Антипротон и антинейтрон были найдены Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен в 1955 году в Университете Калифорнии, Беркли . ^[1] С тех пор в экспериментах с ускорителями частиц были созданы античастицы многих других субатомных частиц. В последние годы полные атомы антивещества были собраны из антипротонов и позитронов, собранных в электромагнитные ловушки. ^[2]

Теория дыр Дирака [ править ]

Решения уравнения Дирака содержали ^{[ необходимо пояснение ]} квантовые состояния с отрицательной энергией. В результате электрон всегда мог излучать энергию и переходить в состояние с отрицательной энергией. Хуже того, он мог продолжать излучать бесконечное количество энергии, потому что было доступно бесконечно много состояний с отрицательной энергией. Чтобы предотвратить возникновение этой нефизической ситуации, Дирак предположил, что «море» электронов с отрицательной энергией заполняет Вселенную, уже занимая все состояния с более низкой энергией, так что в соответствии с принципом исключения Паули ни один другой электрон не может попасть в них. . Однако иногда одну из этих частиц с отрицательной энергией удавалось поднять из этого моря Дирака.стать частицей с положительной энергией. Но когда его подняли, он оставил бы дыру в море, которая действовала бы точно так же, как электрон положительной энергии с обратным зарядом. Эти дырки были интерпретированы Полом Дираком как «электроны с отрицательной энергией», и он по ошибке отождествил их с протонами в своей статье 1930 года «Теория электронов и протонов» ^[4]. Однако эти «электроны отрицательной энергии» оказались позитронами , а не протоны .

Эта картина подразумевала бесконечный отрицательный заряд Вселенной - проблему, о которой знал Дирак. Дирак пытался ^{[ необходимо пояснение ],} чтобы доказать, что мы воспринимаем это как нормальное состояние нулевого заряда. Еще одна трудность заключалась в различии масс электрона и протона. Дирак пытался ^{[ требуется пояснение ],} чтобы доказать, что это произошло из-за электромагнитного взаимодействия с морем, пока Герман Вейль не доказал, что теория дыр полностью симметрична между отрицательными и положительными зарядами. Дирак также предсказал реакцию
е^-
 + 
п⁺
 → 
γ
 + 
γ
, где электрон и протон аннигилируют, давая два фотона. Роберт Оппенгеймер и Игорь Тамм доказали, что это приведет к слишком быстрому исчезновению обычной материи. Год спустя, в 1931 году, Дирак модифицировал свою теорию и постулировал позитрон - новую частицу той же массы, что и электрон. Открытие этой частицы в следующем году сняло два последних возражения против его теории.

В рамках теории Дирака остается проблема бесконечного заряда Вселенной. Некоторые бозоны также имеют античастицы, но поскольку бозоны не подчиняются принципу исключения Паули (только фермионы ), дырочная теория для них не работает. Единая интерпретация античастиц теперь доступна в квантовой теории поля , которая решает обе эти проблемы, описывая антивещество как состояния с отрицательной энергией одного и того же основного поля материи, то есть частиц, движущихся назад во времени. ^[5]

Аннигиляция частица-античастица [ править ]

Если частица и античастица находятся в соответствующих квантовых состояниях, они могут аннигилировать друг друга и производить другие частицы. Такие реакции как
е^-
 + 
е⁺
 → 
γ

γ
(двухфотонная аннигиляция пары электрон-позитрон) являются примером. Однофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары,
е^-
 + 
е⁺
 → 
γ
, не может происходить в свободном пространстве, потому что в этом процессе невозможно одновременно сохранить энергию и импульс . Однако в кулоновском поле ядра трансляционная инвариантность нарушается и может происходить однофотонная аннигиляция. ^[6] Обратная реакция (в свободном пространстве, без атомного ядра) также невозможна по этой причине. В квантовой теории поля этот процесс допускается только как промежуточное квантовое состояние на время, достаточно короткое, чтобы нарушение закона сохранения энергии могло быть компенсировано принципом неопределенности . Это открывает путь для рождения или аннигиляции виртуальных пар, в которых одночастичное квантовое состояние может флуктуировать.в двухчастичное состояние и обратно. Эти процессы важны для состояния вакуума и перенормировки квантовой теории поля. Это также открывает путь для смешивания нейтральных частиц с помощью процессов, подобных изображенному здесь, который является сложным примером перенормировки массы .

Свойства [ править ]

Квантовые состояния частицы и античастицы меняются местами за счет совместного применения зарядового сопряжения , четности и обращения времени . и являются линейными, унитарные операторы, антилинейно и антиунитарным, . Если обозначает квантовое состояние частицы с импульсом и спином , компонента которой в z-направлении равна , то мы имеем${\ displaystyle C}$ ${\ displaystyle P}$ ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle C}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle T}$${\displaystyle \langle \Psi |T\,\Phi \rangle =\langle \Phi |T^{-1}\,\Psi \rangle }$${\displaystyle |p,\sigma ,n\rangle }$${\displaystyle n}$${\displaystyle p}$${\displaystyle J}$${\displaystyle \sigma }$

${\displaystyle CPT\ |p,\sigma ,n\rangle \ =\ (-1)^{J-\sigma }\ |p,-\sigma ,n^{c}\rangle ,}$

где обозначает зарядовое сопряженное состояние, то есть античастицу. В частности, массивная частица и ее античастица трансформируются в соответствии с одним и тем же неприводимым представлением группы Пуанкаре, что означает, что античастица имеет одинаковую массу и тот же спин.${\displaystyle n^{c}}$

Если , и можно определить отдельно для частиц и античастиц, то${\displaystyle C}$${\displaystyle P}$${\displaystyle T}$

${\displaystyle T\ |p,\sigma ,n\rangle \ \propto \ |-p,-\sigma ,n\rangle ,}$

${\displaystyle CP\ |p,\sigma ,n\rangle \ \propto \ |-p,\sigma ,n^{c}\rangle ,}$

${\displaystyle C\ |p,\sigma ,n\rangle \ \propto \ |p,\sigma ,n^{c}\rangle ,}$

где знак пропорциональности указывает на то, что с правой стороны может быть фаза.

Поскольку антикоммутируется с зарядами ,, частица и античастица имеют противоположные электрические заряды q и -q.${\displaystyle CPT}$${\displaystyle CPT\,Q=-Q\,CPT}$

Квантовая теория поля [ править ]

Этот раздел опирается на идеи, языке и обозначение канонического квантования в виде квантовой теории поля .

Можно попытаться квантовать электронное поле без смешивания операторов уничтожения и рождения, написав

${\displaystyle \psi (x)=\sum _{k}u_{k}(x)a_{k}e^{-iE(k)t},\,}$

где мы используем символ k для обозначения квантовых чисел p и σ из предыдущего раздела и знак энергии E (k) , а a _k обозначает соответствующие операторы уничтожения. Конечно, поскольку мы имеем дело с фермионами , нам необходимо, чтобы операторы удовлетворяли каноническим антикоммутационным соотношениям. Однако если теперь записать гамильтониан

${\displaystyle H=\sum _{k}E(k)a_{k}^{\dagger }a_{k},\,}$

тогда сразу видно, что математическое ожидание H не обязательно должно быть положительным. Это связано с тем, что E (k) может иметь любой знак, а комбинация операторов создания и уничтожения имеет математическое ожидание 1 или 0.

Таким образом, необходимо ввести зарядово-сопряженное поле античастиц с собственными операторами рождения и уничтожения, удовлетворяющими соотношениям

${\displaystyle b_{k\prime }=a_{k}^{\dagger }\ \mathrm {and} \ b_{k\prime }^{\dagger }=a_{k},\,}$

где k имеет то же значение p , но противоположные σ и знак энергии. Тогда можно переписать поле в виде

${\displaystyle \psi (x)=\sum _{k_{+}}u_{k}(x)a_{k}e^{-iE(k)t}+\sum _{k_{-}}u_{k}(x)b_{k}^{\dagger }e^{-iE(k)t},\,}$

где первая сумма относится к состояниям с положительной энергией, а вторая - к состояниям с отрицательной энергией. Энергия становится

${\displaystyle H=\sum _{k_{+}}E_{k}a_{k}^{\dagger }a_{k}+\sum _{k_{-}}|E(k)|b_{k}^{\dagger }b_{k}+E_{0},\,}$

где E ₀ - бесконечная отрицательная постоянная. Вакуумное состояние определяется как состояние без каких - либо частиц или античастицы, то есть , и . Тогда энергия вакуума равна E ₀ . Поскольку все энергии измеряются относительно вакуума, H положительно определен. Анализ свойств a _k и b _k показывает, что один является оператором аннигиляции для частиц, а другой - для античастиц. Это случай фермиона .${\displaystyle a_{k}|0\rangle =0}$${\displaystyle b_{k}|0\rangle =0}$

Такой подход принадлежит Владимиру Фоку , Венделлу Ферри и Роберту Оппенгеймеру . Если квантовать реальное скалярное поле , то обнаружится, что существует только один вид оператора уничтожения; поэтому реальные скалярные поля описывают нейтральные бозоны. Поскольку комплексные скалярные поля допускают два различных типа операторов уничтожения, которые связаны сопряжением, такие поля описывают заряженные бозоны.

Интерпретация Фейнмана-Штюкельберга [ править ]

Рассматривая распространение мод отрицательной энергии электронного поля назад во времени, Эрнст Штюкельберг достиг наглядного понимания того факта, что частица и античастица имеют одинаковую массу m и спин J, но противоположные заряды q . Это позволило ему переписать теорию возмущений именно в виде диаграмм. Ричард Фейнман позже дал независимый систематический вывод этих диаграмм из формализма частиц, и теперь они называются диаграммами Фейнмана.. Каждая линия диаграммы представляет собой частицу, движущуюся вперед или назад во времени. Этот метод является сегодня наиболее распространенным методом вычисления амплитуд в квантовой теории поля.

Поскольку эта картина была впервые разработана Штюкельбергом ^[7] и приобрела свою современную форму в работе Фейнмана ^[8], она получила название интерпретации античастиц Фейнмана – Штюкельберга в честь обоих ученых.

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме античастиц .

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

• Фейнман, Р.П. (1987). «Причина античастиц». У Р. П. Фейнмана; С. Вайнберг (ред.). Лекции памяти Дирака 1986 года . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-34000-4.
• Вайнберг, С. (1995). Квантовая теория полей, Том 1: Основы . Издательство Кембриджского университета . ISBN 0-521-55001-7.

Внешняя ссылка [ править ]

• Античастица (физика) в Британской энциклопедии
• Phn hạt в Энциклопедическом словаре Вьетнама