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 частиц «обычной» материи (в отличие от антиматерии ) связан с античастицей с той же массой , но с противоположными физическими зарядами (такими как электрический заряд ). 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 . Обратное также верно: античастицей позитрона является электрон.

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

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

Законы природы очень близки к симметричным по отношению к частицам и античастицам. Например, антипротон и позитрон могут образовать 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 появлению Вселенной, состоящей почти полностью из материи, а не являющейся смесью материи и антиматерии пополам . Открытие нарушения четности заряда 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, состоящей почти полностью из материи, остается без ответа, и объяснения до сих пор не являются по-настоящему удовлетворительными, в целом.

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

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  бозоны ,π0 мезоны , гипотетические гравитоны и некоторые гипотетические WIMPs — все они 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 позитронов Полем Дираком , Карл Д. Андерсон обнаружил, что столкновения космических лучей производят эти частицы в камере Вильсона — детекторе частиц , в котором движущиеся электроны (или позитроны) оставляют за собой следы, когда они движутся через газ. Отношение электрического заряда к массе частицы можно измерить, наблюдая радиус закручивания ее трека в камере Вильсона в магнитном поле . Позитроны, из-за направления, в котором закручиваются их пути, сначала были ошибочно приняты за электроны, движущиеся в противоположном направлении. Пути позитронов в камере Вильсона описывают ту же спиральную траекторию, что и электрон, но вращаются в противоположном направлении по отношению к направлению магнитного поля из-за того, что они имеют ту же величину отношения заряда к массе, но с противоположным зарядом и, следовательно, противоположными знаками отношения заряда к массе.

Антипротон и антинейтрон были обнаружены 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 были собраны полные атомы антиматерии из антипротонов и позитронов, собранных в электромагнитных ловушках. [ ^2]

Теория дырок Дирака

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

Стивен Вайнберг ^[3]

Решения уравнения Дирака содержат квантовые состояния с отрицательной энергией. В результате электрон всегда может излучать энергию и попадать в состояние с отрицательной энергией. Хуже того, он может продолжать излучать бесконечное количество энергии, поскольку существует бесконечно много доступных 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 из-за принципа исключения Паули никакой другой электрон не может попасть в них. Иногда, однако, одна из этих частиц с отрицательной энергией может быть поднята из этого моря Дирака , чтобы стать частицей с положительной энергией. Но, будучи поднятой, она оставит после себя дыру в море, которая будет действовать точно так же, как электрон с положительной энергией с обратным зарядом. Эти дырки были интерпретированы Полем Дираком как «электроны с отрицательной энергией» и ошибочно отождествлены с протонами в его работе 1930 года «Теория электронов и протонов ^{» [4].} Однако эти «электроны с отрицательной энергией» оказались позитронами , а не протонами .

Эта картина подразумевала бесконечный отрицательный заряд для Вселенной — проблема, о которой Дирак знал. Дирак пытался утверждать, что мы будем воспринимать это как нормальное состояние нулевого заряда. Другая трудность заключалась в разнице масс электрона и протона. Дирак пытался утверждать, что это было связано с электромагнитным взаимодействием с морем, пока Герман Вейль не доказал, что теория дырок 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 , однако, 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 последние два возражения против его теории.

В рамках теории Дирака проблема бесконечного заряда Вселенной остается. У некоторых бозонов также есть античастицы, но поскольку бозоны не подчиняются принципу исключения Паули (только фермионы подчиняются), теория дырок для них не работает. Единая интерпретация античастиц теперь доступна в квантовой теории поля , которая решает обе эти проблемы, описывая антиматерию как состояния отрицательной энергии того же самого основного поля материи, т. е. частицы, движущиеся назад во времени. ^[5]

Элементарные античастицы

Композитные античастицы

Аннигиляция частиц и античастиц

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 с другом и производить другие частицы. Такие реакции, как
е⁻
 + 
е⁺
 → 
γ

γ
(двухфотонная аннигиляция пары электрон-позитрон) являются примером. Однофотонная аннигиляция пары электрон-позитрон,
е⁻
 + 
е⁺
 → 
γ
, не может происходить в свободном пространстве, поскольку в этом процессе невозможно сохранять энергию и импульс вместе. Однако в кулоновском поле ядра трансляционная инвариантность нарушается, и может произойти однофотонная аннигиляция. ^[11] 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 времена, достаточно короткие, чтобы нарушение закона сохранения энергии могло быть учтено принципом неопределенности . Это открывает путь для виртуального образования пар или аннигиляции, при котором одночастичное квантовое состояние может флуктуировать в двухчастичное и обратно. Эти процессы важны в вакуумном состоянии и перенормировке квантовой теории поля. Это также открывает путь для смешивания нейтральных частиц посредством процессов, таких как изображенный здесь, который является сложным примером перенормировки массы .

Характеристики

Квантовые состояния частицы и античастицы меняются местами с помощью комбинированного применения сопряжения заряда , четности и обращения времени . и являются линейными, унитарными операторами, является антилинейным и антиунитарным, . Если обозначает квантовое состояние частицы с импульсом и спином, компонентой которого в направлении z является , 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 под одним и тем же неприводимым представлением 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.

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

Квантовая теория поля

В этом разделе используются идеи, язык и обозначения канонического квантования квантовой теории поля .

Можно попытаться квантовать электронное поле, 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 заставить операторы удовлетворять каноническим антикоммутационным соотношениям. Однако если теперь записать гамильтониан

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

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

Поэтому необходимо ввести поле зарядово-сопряженной античастицы со своими 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 тот же p , и 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 по положительным энергетическим состояниям, а вторая по отрицательным. 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 константа. Состояние вакуума определяется как состояние без частицы или античастицы, т. е . , и . Тогда энергия вакуума равна в точности E ₀ . Поскольку все энергии измеряются относительно вакуума, H положительно определена. Анализ свойств a _k и b _k показывает, что один из них является оператором уничтожения для частиц, а другой — для 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 реальное скалярное поле , то можно обнаружить, что существует только один вид оператора уничтожения; следовательно, реальные скалярные поля описывают нейтральные бозоны. Поскольку комплексные скалярные поля допускают два различных вида операторов уничтожения, которые связаны сопряжением, такие поля описывают заряженные бозоны.

Интерпретация Фейнмана – Штюкельберга

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 точно 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, распространяющуюся либо назад, либо вперед во времени. В диаграммах Фейнмана античастицы показаны движущимися назад во времени относительно нормальной материи, и наоборот. ^[12] Этот метод является наиболее распространенным методом вычисления амплитуд в квантовой теории поля на сегодняшний день.

Поскольку эта картина была впервые разработана Штюкельбергом ^[13] и приобрела свою современную форму в работах Фейнмана ^[14] , она называется интерпретацией античастиц Фейнмана–Штюкельберга в честь обоих ученых.

Смотрите также

• Список частиц
• Антиматерия
• Гравитационное взаимодействие антиматерии
• Четность , зарядовое сопряжение и симметрия обращения времени
• нарушения КП
• Квантовая теория поля
• Бариогенезис , барионная асимметрия и лептогенезис
• Вселенная с одним электроном
• Поль Дирак

Примечания

1. «Нобелевская премия по физике 1959 года».
2. "Атомы антиматерии впервые пойманы 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 . Cambridge University Press. стр. 14. ISBN 0-521-55001-7.
4. Дирак, Поль (1930). «Теория электронов и протонов». Труды Королевского общества A. 126 ( 801): 360–365. Bibcode :1930RSPSA.126..360D. doi : 10.1098/rspa.1930.0013 .
5. Ланкастер, Том; Бланделл, Стивен Дж.; Бланделл, Стивен (2014). Квантовая теория поля для одаренных любителей. OUP Oxford. стр. 61. ISBN 978-0199699339.
6. Particle Data Group (2016). "Обзор физики элементарных частиц". Chinese Physics C. 40 ( 10): 100001. Bibcode :2016ChPhC..40j0001P. doi :10.1088/1674-1137/40/10/100001. hdl : 1983/c6dc3926-daee-4d0e-9149-5ff3a8120574 . S2CID  125766528.
7. Particle Data Group (2016). "Обзор физики элементарных частиц". Chinese Physics C. 40 ( 10): 100001. Bibcode :2016ChPhC..40j0001P. doi :10.1088/1674-1137/40/10/100001. hdl : 1983/c6dc3926-daee-4d0e-9149-5ff3a8120574 . S2CID  125766528.
8. "Значение CODATA: эквивалент энергии массы протона в МэВ". physics.nist.gov . Получено 2024-09-08 .
9. "Значение CODATA: масса протона". physics.nist.gov . Получено 2024-09-08 .
10. "Значение CODATA: эквивалент энергии массы нейтрона в МэВ". physics.nist.gov . Получено 2024-09-08 .
11. Sodickson, L.; W. Bowman; J. Stephenson (1961). «Одноквантумная аннигиляция позитронов». Physical Review . 124 (6): 1851–1861. Bibcode : 1961PhRv..124.1851S. doi : 10.1103/PhysRev.124.1851.
12. Гриффитс, DJ (2008). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). John Wiley & Sons . стр. 61. ISBN 978-3-527-40601-2.
13. Штюкельберг, Эрнст (1941), «Значение собственного времени в механическом волнообразном механизме». Хелв. Физ. Acta 14 , стр. 322–323.
14. Фейнман, Ричард П. (1948). «Пространственно-временной подход к нерелятивистской квантовой механике» (PDF) . Reviews of Modern Physics . 20 (2): 367–387. Bibcode :1948RvMP...20..367F. doi :10.1103/RevModPhys.20.367. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.

Ссылки

• Фейнман, РП (1987). "Причина античастиц". В РП Фейнман; С. Вайнберг (ред.). Мемориальные лекции Дирака 1986 года . Cambridge University Press . ISBN 0-521-34000-4.
• Вайнберг, С. (1995). Квантовая теория полей, том 1: Основы . Cambridge University Press . ISBN 0-521-55001-7.

Внешние ссылки

• Phản hạt в Энциклопедическом словаре Вьетнама
• Антиматерия в ЦЕРНе