Antipartikel

Illustration av elektrisk laddning av partiklar (vänster) och antipartiklar (höger). Från topp till tå; elektron / positron , proton / antiproton , neutron / antineutron .

I partikelfysik är varje typ av partikel associerad med en antipartikel med samma massa men med motsatta fysiska laddningar (som elektrisk laddning ). Till exempel är elektronens antipartikel positronen (även känd som en antielektron). Medan elektronen har en negativ elektrisk laddning, har positronen en positiv elektrisk laddning och produceras naturligt i vissa typer av radioaktivt sönderfall . Motsatsen är också sant: positronens antipartikel är elektronen.

Vissa partiklar, såsom fotonen , är sin egen antipartikel. Annars, för varje par av antipartikelpartners, betecknas en som den normala partikeln (den som förekommer i materia som vanligtvis interagerar med i det dagliga livet). Den andra (vanligtvis med prefixet "anti-") betecknas antipartikeln .

Partikel-antipartikelpar kan förinta varandra och producera fotoner ; eftersom laddningarna av partikeln och antipartikeln är motsatta, är den totala laddningen bevarad. Till exempel, de positroner som produceras i naturligt radioaktivt sönderfall förstör sig snabbt med elektroner och producerar par av gammastrålar , en process som utnyttjas i positronemissionstomografi .

Naturlagarna är mycket nästan symmetriska med avseende på partiklar och antipartiklar. Till exempel kan en antiproton och en positron bilda en antiväteatom , som tros ha samma egenskaper som en väteatom . Detta leder till frågan om varför bildningen av materia efter Big Bang resulterade i ett universum som nästan helt bestod av materia, snarare än att vara en halv och en halv blandning av materia och antimateria . Upptäckten av laddningsparitetsbrott bidrog till att belysa detta problem genom att visa att denna symmetri, som ursprungligen ansågs vara perfekt, bara var ungefärlig.

Eftersom laddning är bevarad är det inte möjligt att skapa en antipartikel utan att antingen förstöra en annan partikel med samma laddning (som till exempel är fallet när antipartiklar produceras naturligt via beta-sönderfall eller kosmiska strålars kollision med jordens atmosfär), eller genom att den samtidiga skapandet av både en partikel och dess antipartikel, vilket kan förekomma i partikelacceleratorer som Large Hadron Collider vid CERN .

Även om partiklar och deras antipartiklar har motsatta laddningar, behöver elektriskt neutrala partiklar inte vara identiska med deras antipartiklar. Neutronen, till exempel, är gjord av kvarkar, antineutronen från antikvarkar , och de kan särskiljas från varandra eftersom neutroner och antineutroner förintar varandra vid kontakt. Emellertid är andra neutrala partiklar deras egna antipartiklar, såsom fotoner , ⁰ Z -bosoner ,
π- ⁰
mesoner och hypotetiska gravitoner och några hypotetiska WIMPs .

Historia

Experimentera

Paul Diracs förutsägelse av positroner , fann Carl D. Anderson att kosmiska strålkollisioner producerade dessa partiklar i en molnkammare - en partikeldetektor där rörliga elektroner (eller positroner ) lämnar spår när de rör sig genom gas. Det elektriska laddnings-till-massaförhållandet för en partikel kan mätas genom att observera radien för krullning av dess molnkammarspår i ett magnetfält . Positroner, på grund av riktningen som deras banor krullade, förväxlades först med elektroner som färdades i motsatt riktning. Positronbanor i en molnkammare följer samma spiralformade bana som en elektron men roterar i motsatt riktning med avseende på magnetfältets riktning på grund av att de har samma storlek på förhållandet laddning till massa men med motsatt laddning och därför, motsatta tecken på laddning-till-massa-förhållanden.

Antiprotonen och antineutronen hittades av Emilio Segrè och Owen Chamberlain 1955 vid University of California , Berkeley . Sedan dess har antipartiklarna från många andra subatomära partiklar skapats i partikelacceleratorexperiment. Under de senaste åren har kompletta atomer av antimateria satts samman av antiprotoner och positroner, samlade i elektromagnetiska fällor.

Dirac hål teori

... utvecklingen av kvantfältteorin gjorde tolkningen av antipartiklar som hål onödig, även om den dröjer kvar i många läroböcker.

Steven Weinberg

Lösningar av Dirac-ekvationen innehåller negativa energikvanttillstånd. Som ett resultat kan en elektron alltid utstråla energi och hamna i ett negativt energitillstånd. Ännu värre, det kunde fortsätta att utstråla oändliga mängder energi eftersom det fanns oändligt många negativa energitillstånd tillgängliga. För att förhindra denna ofysiska situation från att inträffa, föreslog Dirac att ett "hav" av negativa energielektroner fyller universum, som redan ockuperar alla lägre energitillstånd så att, på grund av Paulis uteslutningsprincip, ingen annan elektron skulle kunna falla in i dem . Ibland kunde dock en av dessa negativa energipartiklar lyftas upp ur detta Dirac hav för att bli en positiv energipartikel. Men när den lyftes ut skulle den lämna efter sig ett hål i havet som skulle agera exakt som en elektron med positiv energi med en omvänd laddning. Dessa hål tolkades som "negativa energielektroner" av Paul Dirac och identifierades felaktigt med protoner i hans 1930 uppsats A Theory of Electrons and Protons. Men dessa "negativa energielektroner" visade sig vara positroner och inte protoner .

Denna bild antydde en oändlig negativ laddning för universum - ett problem som Dirac var medveten om. Dirac försökte hävda att vi skulle uppfatta detta som det normala tillståndet nollladdning. En annan svårighet var skillnaden i massor av elektronen och protonen. Dirac försökte hävda att detta berodde på de elektromagnetiska interaktionerna med havet, tills Hermann Weyl bevisade att hålteorin var helt symmetrisk mellan negativa och positiva laddningar. Dirac förutspådde också en reaktion
e ⁻
+
p ⁺
→
γ
+
γ
, där en elektron och en proton förintas och ger två fotoner. Robert Oppenheimer och Igor Tamm visade dock att detta skulle få vanlig materia att försvinna för snabbt. Ett år senare, 1931, modifierade Dirac sin teori och postulerade positronen, en ny partikel med samma massa som elektronen. Upptäckten av denna partikel nästa år tog bort de två sista invändningarna mot hans teori.

Inom Diracs teori kvarstår problemet med universums oändliga laddning. Vissa bosoner har också antipartiklar, men eftersom bosoner inte följer Paulis uteslutningsprincip (endast fermioner gör det) fungerar inte hålteorin för dem. En enhetlig tolkning av antipartiklar finns nu tillgänglig inom kvantfältteorin , som löser båda dessa problem genom att beskriva antimateria som negativa energitillstånd för samma underliggande materiafält, dvs partiklar som rör sig bakåt i tiden.

Partikel-antipartikelförintelse

Ett exempel på ett virtuellt pionpar som påverkar utbredningen av en kaon , vilket får en neutral kaon att blandas med antikaon. Detta är ett exempel på renormalisering inom kvantfältteorin - fältteorin är nödvändig på grund av förändringen i partikelantal.

Om en partikel och antipartikel är i lämpliga kvanttillstånd, kan de förinta varandra och producera andra partiklar. Reaktioner som
e ⁻
+
e ⁺
→
γ

γ
(tvåfotonförintelsen av ett elektron-positronpar) är ett exempel. Enkelfotonförintelsen av ett elektron-positronpar,
e ⁻
+
e ⁺
→
γ
, kan inte ske i fritt utrymme eftersom det är omöjligt att spara energi och momentum tillsammans i denna process. Men i Coulomb-fältet av en kärna translationsinvariansen och enkelfotonförintelse kan inträffa. Den omvända reaktionen (i fritt utrymme, utan en atomkärna) är också omöjlig av denna anledning. I kvantfältteorin är denna process endast tillåten som ett mellanliggande kvanttillstånd under tider som är tillräckligt korta för att kränkningen av energisparande kan tillgodoses av osäkerhetsprincipen . Detta öppnar vägen för virtuell parproduktion eller förintelse där ett kvanttillstånd med en partikel kan fluktuera till ett tillstånd med två partiklar och tillbaka. Dessa processer är viktiga i vakuumtillståndet och renormaliseringen av en kvantfältteori. Det öppnar också vägen för neutral partikelblandning genom processer som den som visas här, vilket är ett komplicerat exempel på massrenormalisering .

Egenskaper

Kvanttillstånd för en partikel och en antipartikel byts ut genom den kombinerade tillämpningen av laddningskonjugering ${\displaystyle C} ,$ paritet P $\displaystyle P}$ och tidsomkastning $T$ . $C$ och $P$ är linjära, enhetliga operatorer, $T$ är antilinjär och antiunitär, $\langle \Psi |T\,\Phi \rangle =\langle \Phi |T^{-1}\,\Psi \rangle$ . Om $|p,\sigma ,n\rangle$ anger kvanttillståndet för en partikel $n$ med momentum $p$ och spin $J$ vars komponent i z-riktningen är $\sigma$ , då har man

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

där $n^{c}$ anger det laddningskonjugerade tillståndet, det vill säga antipartikeln. I synnerhet en massiv partikel och dess antipartikel transformeras under samma irreducerbara representation av Poincaré-gruppen, vilket betyder att antipartikeln har samma massa och samma spinn.

Om $C$ , $P$ och $T$ kan definieras separat på partiklarna och antipartiklarna, då

T\ |p,\sigma ,n\rangle \ \propto \ |-p,-\sigma ,n\rangle ,

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

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

där proportionalitetstecknet indikerar att det kan finnas en fas på höger sida.

När $CPT$ antipendlar med laddningarna, $CPT\,Q=-Q\,CPT$ , har partikel och antipartikel motsatta elektriska laddningar q och -q .

Kvantfältteori

Detta avsnitt bygger på idéer, språk och notation av kanonisk kvantisering av en kvantfältteori .

Man kan försöka kvantisera ett elektronfält utan att blanda förintelse- och skapandeoperatorerna genom att skriva

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

där vi använder symbolen k för att beteckna kvanttalen p och σ i föregående avsnitt och tecknet för energin, E(k) , och a _k betecknar motsvarande annihilationsoperatorer. Eftersom vi har att göra med fermioner måste vi naturligtvis låta operatörerna uppfylla kanoniska anti-kommuteringsrelationer. Men om man nu skriver ner Hamiltonian

H=\sum _{k}E(k)a_{k}^{\dolk }a_{k},\,

då ser man direkt att förväntansvärdet på H inte behöver vara positivt. Detta beror på att E(k) kan ha vilket tecken som helst, och kombinationen av skapande och förintelseoperatorer har förväntat värde 1 eller 0.

Så man måste introducera det laddningskonjugerade antipartikelfältet , med sina egna skapande och förintelseoperatorer som uppfyller relationerna

b_{k\prime }=a_{k}^{\dolk }\ \mathrm {and} \ b_{k\prime } ^{\dolk }=a_{k},\,

där k har samma p , och mitt emot σ och tecken på energin. Sedan kan man skriva om fältet i formuläret

\psi ( x)=\summa _{k_{+}}u_{k}(x)a_{k}e^{-iE(k)t}+\summa _{k_{-}}u_{k}(x) b_{k}^{\dolk }e^{-iE(k)t},\,

där den första summan är över positiva energitillstånd och den andra över de negativa energitillstånden. Energin blir

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

där E ₀ är en oändlig negativ konstant. Vakuumtillståndet definieras som tillståndet utan partikel eller $a_{k}|0\rangle =0$ , dvs | och $b_{k}|0\rangle =0$ . Då är vakuumets energi exakt E ₀ . Eftersom alla energier mäts i förhållande till vakuumet H positiv definitiv. Analys av egenskaperna hos a _k och b _k visar att den ena är annihilationsoperatorn för partiklar och den andra för antipartiklar. Detta är fallet med en fermion .

Detta tillvägagångssätt beror på Vladimir Fock , Wendell Furry och Robert Oppenheimer . Om man kvantiserar ett verkligt skalärt fält , så finner man att det bara finns en sorts förintelseoperator; därför beskriver verkliga skalära fält neutrala bosoner. Eftersom komplexa skalära fält tillåter två olika typer av annihilationsoperatorer, som är relaterade genom konjugation, beskriver sådana fält laddade bosoner.

Feynman–Stueckelberg tolkning

Genom att överväga utbredningen av elektronfältets negativa energilägen bakåt i tiden, nådde Ernst Stueckelberg en bildlig förståelse av det faktum att partikeln och antipartikeln har lika massa m och spin J men motsatta laddningar q . Detta gjorde det möjligt för honom att skriva om störningsteorin precis i form av diagram. Richard Feynman gav senare en oberoende systematisk härledning av dessa diagram från en partikelformalism, och de kallas nu Feynman-diagram . Varje linje i ett diagram representerar en partikel som fortplantar sig antingen bakåt eller framåt i tiden. I Feynman-diagram visas antipartiklar färdas bakåt i tiden i förhållande till normal materia och vice versa. Denna teknik är den mest utbredda metoden för att beräkna amplituder inom kvantfältteorin idag.

Eftersom denna bild först utvecklades av Stueckelberg och fick sin moderna form i Feynmans arbete, kallas den Feynman–Stueckelberg-tolkningen av antipartiklar för att hedra båda forskarna.

Se även

Anteckningar

Feynman, RP (1987). "Orsaken till antipartiklar". I RP Feynman; S. Weinberg (red.). 1986 års Dirac-minnesföreläsningar . Cambridge University Press . ISBN 0-521-34000-4 .
Weinberg, S. (1995). The Quantum Theory of Fields, Volym 1: Grunder . Cambridge University Press . ISBN 0-521-55001-7 .

externa länkar

Phản hạt på Encyclopedic Dictionary of Vietnam
Antimateria vid CERN