Античастица

Частица с противоположными зарядами

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

В физике элементарных частиц каждый тип частицы «обычной» материи (в отличие от антиматерии ) связан с античастицей с той же массой , но с противоположными физическими зарядами (например, электрическим зарядом ). Например, античастицей электрона является позитрон ( также известный как антиэлектрон). В то время как электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и естественным образом образуется при определенных типах радиоактивного распада . Верно и обратное: античастицей позитрона является электрон.

Некоторые частицы, например фотон , являются собственными античастицами. В противном случае для каждой пары партнеров-античастиц одна обозначается как нормальная частица (та, которая встречается в материи, с которой обычно взаимодействуют в повседневной жизни). Другая (обычно имеющая приставку «анти-») обозначается как античастица .

Пары частица-античастица могут аннигилировать друг друга, производя фотоны ; поскольку заряды частицы и античастицы противоположны, общий заряд сохраняется. Например, позитроны, образующиеся при естественном радиоактивном распаде, быстро аннигилируют вместе с электронами, образуя пары гамма-лучей — процесс, используемый в позитронно-эмиссионной томографии .

Законы природы почти симметричны по отношению к частицам и античастицам. Например, антипротон и позитрон могут образовывать атом антиводорода , который, как полагают, обладает теми же свойствами, что и атом водорода . Это приводит к вопросу о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к тому, что Вселенная почти полностью состояла из материи, а не представляла собой пополам смесь материи и антиматерии . Открытие нарушения зарядовой четности помогло пролить свет на эту проблему, показав, что эта симметрия, первоначально считавшаяся идеальной, была лишь приблизительной. Вопрос о том, как образование материи после Большого взрыва привело к появлению Вселенной, почти полностью состоящей из материи, остается без ответа, и объяснения в целом пока не являются по-настоящему удовлетворительными.

Поскольку заряд сохраняется , невозможно создать античастицу, не уничтожив другую частицу с тем же зарядом (как, например, в случае, когда античастицы рождаются естественным путем в результате бета -распада или столкновения космических лучей с атмосферой Земли), либо путем одновременное создание как частицы, так и ее античастицы (рождение пар), что может происходить в ускорителях частиц , таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН .

Частицы и их античастицы имеют равные и противоположные заряды, так что незаряженная частица также порождает незаряженную античастицу. Во многих случаях античастица и частица совпадают: пары фотонов , Z ⁰  бозонов ,π0 мезоны , гипотетические гравитоны и некоторые гипотетические вимпы самоуничтожаются. Однако электрически нейтральные частицы не обязательно должны быть идентичны своим античастицам: например, нейтрон и антинейтрон различны.

История

Эксперимент

В 1932 году, вскоре после предсказания Поля Дирака о позитронах , Карл Д. Андерсон обнаружил, что столкновения космических лучей производят эти частицы в камере Вильсона — детекторе частиц , в котором движущиеся электроны (или позитроны) оставляют после себя следы, проходя через камеру Вильсона. 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 их траектории сначала были приняты за электроны, движущиеся в противоположном направлении. Траектории позитронов в камере Вильсона проходят по той же винтовой траектории, что и электрон, но вращаются в направлении, противоположном направлению магнитного поля, поскольку они имеют ту же величину отношения заряда к массе, но с противоположным зарядом и, следовательно, Отношения заряда к массе с противоположным знаком.

Антипротон и антинейтрон были открыты Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом в 1955 году в Калифорнийском университете в Беркли . ^[1] С тех пор античастицы многих других субатомных частиц были созданы в экспериментах на ускорителях частиц. В последние годы из антипротонов и позитронов, собранных в электромагнитные ловушки, удалось собрать полноценные атомы антивещества . ^[2]

Теория дырок Дирака

... развитие квантовой теории поля сделало интерпретацию античастиц как дырок ненужной, хотя она сохраняется во многих учебниках.

Стивен Вайнберг ^[3]

Решения уравнения Дирака содержат квантовые состояния с отрицательной энергией. В результате электрон всегда может излучать энергию и переходить в состояние с отрицательной энергией. Хуже того, он мог продолжать излучать бесконечное количество энергии, поскольку существовало бесконечно много доступных состояний отрицательной энергии. 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 из-за принципа запрета Паули ни один другой электрон не может попасть в них. . Однако иногда одна из этих частиц с отрицательной энергией может быть поднята из этого моря Дирака и стать частицей с положительной энергией. Но если его поднять, в море останется дыра , которая будет действовать точно так же, как электрон с положительной энергией и обратным зарядом. Эти дырки были интерпретированы Полем Дираком как «электроны с отрицательной энергией» и ошибочно отождествлены с протонами в его статье 1930 года «Теория электронов и протонов» ^[4] . Однако эти «электроны с отрицательной энергией» оказались позитронами , а не протонами . .

Эта картина подразумевала бесконечный отрицательный заряд Вселенной – проблему, о которой знал Дирак. Дирак пытался доказать, что мы будем воспринимать это как нормальное состояние нулевого заряда. Другая трудность заключалась в разнице масс электрона и протона. Дирак пытался утверждать, 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, образуя два фотона. Однако 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 существование позитрона — новой частицы той же массы, что и электрон. Открытие этой частицы в следующем году сняло два последних возражения против его теории.

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

Аннигиляция частица-античастица

Пример виртуальной пионной пары, которая влияет на распространение каона , заставляя нейтральный каон смешиваться с антикаоном. Это пример перенормировки в квантовой теории поля : теория поля необходима из-за изменения числа частиц.

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

γ
(двухфотонная аннигиляция пары электрон-позитрон). 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 произойти однофотонная аннигиляция. ^[6] Обратная реакция (в свободном пространстве, без атомного ядра) также невозможна по этой причине. В квантовой теории поля этот процесс допускается только в качестве промежуточного квантового состояния на время, достаточно короткое, чтобы нарушение закона сохранения энергии можно было компенсировать принципом неопределенности . Это открывает путь к образованию или аннигиляции виртуальных пар, при которых одночастичное квантовое состояние может перейти в двухчастичное состояние и обратно. Эти процессы важны в вакуумном состоянии и перенормировке квантовой теории поля. Это также открывает путь к смешиванию нейтральных частиц посредством процессов, подобных изображенному здесь, который является сложным примером перенормировки массы .

Характеристики

Квантовые состояния частицы и античастицы меняются местами в результате комбинированного применения зарядового сопряжения , четности и обращения времени . и являются линейными унитарными операторами, является антилинейным и антиунитарным, . Если обозначает квантовое состояние частицы с импульсом и спином , компонента которой в направлении z равна , то 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 зарядово-сопряженное состояние, то есть античастицу. В частности, массивная частица и ее античастица преобразуются в одном и том же неприводимом представлении группы Пуанкаре , что означает, что античастица имеет ту же массу и тот же спин. ${\displaystyle n^{c}}$

Если , и можно определить отдельно на частицах и античастицах, 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 частица и античастица антикоммутируют с зарядами, они имеют противоположные электрические заряды q и -q. ${\displaystyle CPT}$ ${\displaystyle CPT\,Q=-Q\,CPT}$

Квантовая теория поля

Этот раздел опирается на идеи, язык и обозначения канонического квантования квантовой теории поля .

Можно попытаться квантовать поле электрона , не смешивая операторы уничтожения и рождения, записав

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

где мы используем символ k для обозначения квантовых чисел p и σ из предыдущего раздела и знака энергии E(k) , а k _{обозначает} соответствующие операторы уничтожения. Конечно, поскольку мы имеем дело с фермионами , мы должны, 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.

Поэтому 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 самое 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 Е ₀ — бесконечная отрицательная константа. Состояние вакуума определяется как состояние без частиц или античастиц , т.е. и . Тогда энергия вакуума равна именно E ₀ . Поскольку все энергии измеряются относительно вакуума, H положительно определен. Анализ свойств ak и bk показывает _, что один из них является оператором уничтожения частиц, а другой — античастиц _. Это случай фермиона . ${\displaystyle a_{k}|0\rangle =0}$ ${\displaystyle b_{k}|0\rangle =0}$

Этот подход принадлежит Владимиру Фоку , Венделлу Фурри и Роберту Оппенгеймеру . Если квантовать действительное скалярное поле , то обнаружится, что существует только один тип оператора уничтожения; следовательно, реальные скалярные поля описывают нейтральные бозоны. Поскольку комплексные скалярные поля допускают два разных типа операторов уничтожения, связанных сопряжением, такие поля описывают заряженные бозоны.

Интерпретация Фейнмана – Штюкельберга

Рассматривая распространение мод электронного поля с отрицательной энергией 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. Позже Ричард Фейнман дал независимый систематический вывод этих диаграмм из формализма частиц, и теперь они называются диаграммами Фейнмана . Каждая линия диаграммы представляет собой частицу, распространяющуюся либо назад, либо вперед во времени. На диаграммах Фейнмана античастицы показаны движущимися назад во времени относительно обычной материи, и наоборот. ^[7] Сегодня этот метод является наиболее распространенным методом вычисления амплитуд в квантовой теории поля .

Поскольку эта картина была впервые развита Штюкельбергом ^[8] и приобрела свой современный вид в работах Фейнмана ^[9] , в честь обоих ученых она названа интерпретацией античастиц Фейнмана-Штюкельберга .

Смотрите также

• Список частиц
• Антиматерия
• Гравитационное взаимодействие антивещества
• Четность , зарядовое сопряжение и симметрия обращения времени
• Нарушения CP
• Квантовая теория поля
• Бариогенез , барионная асимметрия и лептогенез.
• Одноэлектронная Вселенная
• Поль Дирак

Примечания

1. «Нобелевская премия по физике 1959 года».
2. «Атомы антиматерии впервые попали в ловушку - «большое дело»» . 19 ноября 2010 г. Архивировано из оригинала 20 ноября 2010 г.
3. Вайнберг, Стив (1995). Квантовая теория полей, Том 1: Основы . п. 14. ISBN 0-521-55001-7.
4. Дирак, Поль (1930). «Теория электронов и протонов». Труды Королевского общества А. 126 (801): 360–365. Бибкод : 1930RSPSA.126..360D. дои : 10.1098/rspa.1930.0013 .
5. Ланкастер, Том; Бланделл, Стивен Дж.; Бланделл, Стивен (2014). Квантовая теория поля для одаренного любителя. ОУП Оксфорд. п. 61. ИСБН 978-0199699339.
6. Содиксон, Л.; В. Боуман; Дж. Стивенсон (1961). «Одноквантовая аннигиляция позитронов». Физический обзор . 124 (6): 1851–1861. Бибкод : 1961PhRv..124.1851S. doi : 10.1103/PhysRev.124.1851.
7. Гриффитс, ди-джей (2008). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья . п. 61. ИСБН 978-3-527-40601-2.
8. Штюкельберг, Эрнст (1941), «Значение собственного времени в механическом волнообразном механизме». Хелв. Физ. Acta 14 , стр. 322–323.
9. Фейнман, Ричард П. (1948). «Пространственно-временной подход к нерелятивистской квантовой механике» (PDF) . Обзоры современной физики . 20 (2): 367–387. Бибкод : 1948RvMP...20..367F. doi : 10.1103/RevModPhys.20.367. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.

Рекомендации

• Фейнман, Р.П. (1987). «Причина античастиц». В Р. П. Фейнман; 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.

Внешние ссылки

• Phảhạt в Энциклопедическом словаре Вьетнама
• Антивещество в ЦЕРН