الجسيمات والجسيمات المضادة وإبادة

غالبًا ما يتم تقديم الجسيمات المضادة أكثر صوفية وغامضة مما هي عليه بالفعل ، وكل هذا بفضل الخيال العلمي وغيرها من الأعمال ، مثل " الملائكة والشياطين " دان براون.

كل نوع من الجسيمات له جسيم مضاد. عادة ما يكون هذا جسيمًا منفصلاً ، ولكن يحدث أن الجسيم المضاد والجسيم متماثلان. فقط الجسيمات التي تفي بشروط معينة (على سبيل المثال ، محايدة كهربائيًا) يمكن أن تكون جسيمات مضادة من تلقاء نفسها. قائمة صغيرة من الأمثلة على هذه الجسيمات هي الفوتونات والجسيمات Z و gluons و gravitons. ربما ثلاثة نيوترينو. تحتوي جميع الجسيمات الأخرى على جسيمات منفصلة منفصلة لها نفس الكتلة ولكن الشحنة الكهربائية المعاكسة. النيوترون هو مثال على جسيم محايد كهربائيًا ليس جسيمًا مضادًا بحد ذاته. مثل البروتون ، النيوترون يحتوي على كواركات أكثر من العلامات القديمة ، والنيترون يحتوي على المزيد من العلامات العتيقة من الكواركات.

بالنسبة للجسيمات بخلاف الجسيمات المضادة ، فإن أسماء الجسيمات المضادة عادة ما تكون واضحة إلى حد ما (antiquron العلوي ، antineutrino ، antitau) ، باستثناء مضاد الإلكترون ، والذي يسمى عادة البوزيترون.

ما هي المادة المضادة التي تشتهر بها ، لماذا تبدو غامضة للغاية؟ كل هذا بفضل عبارة "المادة والمادة المضادة تبيدان طاقة نقية". هذه العبارة تبدو رائعة ، لكنها ليست خطيرة. إنه ليس خاطئًا تمامًا ، ولكنه ليس صحيحًا أيضًا. الواقع أكثر تعقيدًا وليس مفاجئًا.

من أجل البساطة ، غالبًا ما يحذف الفيزيائيون البادئة "المضادة" ، عندما تكون واضحة من السياق. أمثلة:

• في العديد من العمليات ، يظهر الميون والأنتيمون. يسمي الفيزيائيون هذا أحيانًا "زوج الميون".
• يتحلل جسيم W إلى كوارك علوي و antiquark أقل ، وغالبًا ما يقال إنه يتحلل "إلى كواركات".

إبادة الجسيمات والجسيمات المضادة

إن إبادة الجسيمات والجسيمات المضادة تكرس الكثير من المواد - تبدو غامضة ومخيفة ورائعة - ولكن هذه هي العمليات الرئيسية التي تحدث في قلب فيزياء الجسيمات ، ويؤدي هذا الوصف إلى سوء الفهم المتكرر. أريد أن أصف بعض القواعد الأساسية التي تحدد ما إذا كان الجسيم والمضاد من نوع واحد يتحولان إلى زوج آخر من الجسيمات والمضادات ، يقتربان من بعضهما البعض. هذا ليس تاريخًا كاملاً لإبادة الجسيمات والجسيمات المضادة ، ولكنه بداية جيدة.

في عالم مثل عالمنا ، تتحكم فيه ميكانيكا الكم ونسبية آينشتاين ، هناك نظرية رياضية: لكل نوع من الجسيمات هناك نوع مقابل من الجسيمات المضادة بنفس الكتلة بالضبط. هذه ليست مجرد نظرية - لجميع الجسيمات المعروفة ، تم الحصول على الجسيمات المضادة تجريبيا ، لذلك ليس هناك ما يمكن الجدال بشأنه.

ومع ذلك ، تتزامن بعض الجسيمات مع الجسيمات المضادة: الجسيم المضاد للفوتون (جزيئات الضوء) سيكون الفوتون. سيكون الشيء نفسه بالنسبة لجسيم Z وجسيم Higgs. من ناحية أخرى ، فإن الإلكترون ذي الشحنة الكهربائية السلبية (بحكم التعريف) له جسيم مضاد ، مضاد للإلكترون أو بوزيترون ، مع شحنة موجبة. تحتوي جميع الجسيمات المعروفة تقريبًا على هذا: يحتوي الميون على أنتيميون ، والكوارك العلوي له Antiquion العلوي ، والجسيمات W ذات الشحنة الموجبة لها جسيم مضاد مع W سلبي.

إذا جمعت بين جسيم ومضاد ، فإن كل خصائصهما تقريبًا يتم تدميرها بشكل متبادل. على سبيل المثال ، ستكون الشحنة الكهربائية لميون (ابن عم ثقيل للإلكترون) بالإضافة إلى الشحنة الكهربائية لأنتيمون صفر. الأول سلبي ، والثاني إيجابي ، لكنهما متساويان في الحجم. الشيء الوحيد الذي لم يتم تدميره هو كتلته وطاقته. صحيح ، هذا البيان هو خدعة صغيرة. الكتلة ليست "محفوظة" - يمكن أن تظهر وتختفي ، وهو أمر جيد جدًا لفيزياء الجسيمات. الشيء الوحيد الذي لن يذهب إلى أي مكان هو الطاقة. يتم توفير الطاقة: التي بدأت بها ، وبذلك تنتهي.

1. يتحول الميون والأنتيمون إلى فوتونين

لنفترض أن لدي صندوق أحذية لا يوجد فيه سوى الميون والأنتيمون في وضع الراحة عمليًا. ثم الطاقة داخل الصندوق تساوي طاقة كتلة الميون وطاقة كتلة الأنتيمون. ["عمليًا" - لأنني أحذف المجال الكهربائي بين الميون والأنتيمون ، لكن هذا تأثير صغير جدًا يمكن تجاهله في حالتنا.] لنفترض أن كتلة الميون هي M ، فإن طاقة كتلة الميون ستكون M c ² ، وستكون هي نفسها صحيح بالنسبة للأنتيمون. ستكون عزم كلا الجسيمات صفرًا ، لأنهما لا يتحركان. الطاقة الإجمالية E والزخم p في الصندوق مبدئيًا

$$

$$E_ {الأولي} = 2 مليون ج ^ 2 \\ p_ {الأولي} = 0$$

كل شيء آخر في الصندوق هو صفر: إجمالي الشحنة الكهربائية والزخم الزاوي وما إلى ذلك. فقط الطاقة. والكتلة - لكنهما مرتبطان ببعضهما البعض.

نظرًا لأن كل شيء تقريبًا يتم القضاء عليه بشكل متبادل ، يمكن أن يتحول الجسيم والجسيم المضاد من خلال أحد التفاعلات الأربعة المعروفة إلى جسيم آخر وجسيمه المضاد. على سبيل المثال ، يمكن أن يتحول الميون والأنتيمون إلى فوتون وفوتون ثان (تذكر أن الفوتون بحد ذاته مضاد للجسيمات). كلا الفوتون سيكون له طاقة - ولكن كم؟ حسنًا ، ستكون الفوتونات هي نفسها ، وسيكون لها نفس الطاقة ، وبما أنها مخزنة ، فإن الطاقة النهائية الإجمالية ستكون هي نفسها الطاقة الأولية الإجمالية:

$$

$$E_ {photon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {الأولي} = M c ^ 2 = E_ {muon}$$

انتبه لما حدث شيء رائع: لقد بدأنا بجسيمات ضخمة ، كل منها لم يتحرك ، ولم يكن لديه طاقة الحركة ، ولكن كان لديه طاقة الكتلة M c ² . وانتهى بنا الأمر مع جزيئين عديمي الكتلة ، بدون طاقة الكتلة ، ولكن مع طاقة حركة تساوي طاقة كتلة الميونات:
م ج ² . انظر الشكل. 1.


التين. 1

أيضا ، الفوتونات سيكون لها نبضات. لكن عزم الفوتونين سيتم توجيههما عكسهما وتدميرهما بشكل متبادل ، بحيث يكون الزخم الكلي صفرًا.

$$

$$p_ {final} = p_ {الأولي} = 0$$

لاحظ أن الطاقة محفوظة ، يتم الحفاظ على الزخم ، ولكن الكتلة ليست كذلك. الكتلة الناتجة هي صفر ، على الرغم من أن الكتلة الأولية هي 2 م.

2. يتحول الميون والأنتيمون إلى إلكترون ومضاد للإلكترون

رد فعل بسيط:

$$

$$particle_1 + antiparticle_1 \ rightarrow particle_2 + antiparticle_2$$

ليس فقط عملية محتملة لإبادة الجسيمات والجسيمات المضادة ، ولكن أيضًا شائع جدًا. دعونا نلقي نظرة على خيار آخر للجسيم 2.


التين. 2

بدلاً من أن يصبح فوتونين ، يمكن أن يتحول الميون والأنتيمون إلى إلكترون وبوزيترون (مضاد للإلكترون) ، كما في الشكل. 2. سيكون لكل منهما نفس الكتلة. دعنا ندعو لها م. كتلة الإلكترون أقل بحوالي 200 مرة من كتلة الميون M. ما الذي يتحول إليه الميون والأنتيمون إلى فوتونات أو زوج إلكترون / بوزيترون يحدد العشوائية ، ولكن مع الاحتمال الموصوف في معادلات ميكانيكا الكم.

نفس المنطق كما كان من قبل يقودنا إلى نفس النتيجة. سيكون لدينا تناظر ، إلكترون وبوزيترون ، بنفس الكتلة ، نفس الطاقة ، وبفضل قانون الحفظ ، يجب أن تكون الطاقة الإجمالية هي نفس الطاقة الأولية للميون.

$$

$$E_ {electron} = E_ {positron} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {الأولي} = M c2 = E_ {muon}$$

الوضع مختلف قليلاً: لقد بدأنا بجزيئات عديمة الحركة لا تملك طاقة الحركة ولها طاقة الكتلة M c ² . وانتهينا من جزيئين ضخمين ، لكل منهما طاقة الكتلة mc ² والكثير من طاقة الحركة ، والطاقة الإجمالية للإلكترون تساوي طاقة كتلة الميون M c ² . مرة أخرى ، يتم تدمير زخم الإلكترون بشكل متبادل مع زخم البوزيترون:

$$

$$p_ {final} = 0$$

بالطبع ، يتم تدمير الشحنات الكهربائية بشكل متبادل. لم يكن هناك شحن في الصندوق قبل التحويل ، ولا يوجد شيء بعد ذلك. يتم الحفاظ على الطاقة مرة أخرى ، والحفاظ على الزخم ، والحفاظ على الشحنة ، ولكن الكتلة ليست كذلك. كانت الكتلة الأولية 2 م والكتلة النهائية 2 م.


التين. 3

3. يتحول الإلكترون ومضاد الإلكترون إلى فوتونين

يمكن أن يتحول إلكترون يستريح وبوزيترون إلى فوتونين ، تمامًا مثل الميون والأنتيمون. يمكن إجراء جميع الحسابات ، وتقليل المشكلة إلى حالة الميونات ، ببساطة استبدال M في كل مكان بـ m. لا يوجد فرق (قارن الشكل 1 والشكل 3).

4. هل يمكن أن يتحول الإلكترون ومضاد الإلكترون إلى ميون وأنتيمون؟

لا ونعم. الجواب يعتمد على السؤال:

• لا ، إذا كان الإلكترون والبوزيترون في وضع الراحة في البداية. ليس لديهم طاقة كافية لإنشاء الميون والأنتيمون ، لذلك لن تحدث هذه العملية.
• نعم ، إذا كان للإلكترون والبوزيترون طاقات عالية للحركة وتصادما بقوة شديدة. يمكن أن تحدث العملية بينما لديهم طاقة كافية.

أولاً ، دعونا نتأكد من أنه إذا كان الإلكترون والبوزيترون في حالة راحة - ليس لديهم طاقة الحركة - فلن يتمكنوا من التحول إلى ميون وأنتيمون. المنطق بسيط - نحتاج فقط إلى العودة إلى المشكلة السابقة ، حيث تحول الميون والأنتيمون إلى إلكترون وبوزيترون ، وفي كل مكان استبدل الميون بإلكترون ، والأنتيمون مع بوزيترون ، م مع م. سوف يتحول:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {الأولي} = m c ^ 2 = E_ {electron}$$

لكن هذا مستحيل! للميون طاقة الكتلة M c ² ، بالإضافة إلى الطاقة الإيجابية للحركة. م> م. اتضح تناقضًا:

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 + "طاقة الحركة" ≥ M c ^ 2> m c ^ 2$$

لا يمكن أن تكون طاقة الميون مساوية لـ mc ² ، كما هو مطلوب في الحفاظ على الطاقة ، لأن M> m. على المرء أن يعترف بأن هذه العملية لا يمكن أن تحدث.


التين. 4

ومع ذلك ، هذا هو بالضبط سبب عدم نجاح هذه المحاولة ، ويخبرنا عن كيفية تحقيق ما نريده. لا حاجة للنظر في الإلكترون والبوزترون الباقي. دعونا نقوم بتسريعها - تقريبًا إلى سرعة الضوء ، بحيث تصبح طاقتها الحركية كبيرة جدًا ، وتكون الطاقة الإجمالية (طاقة الكتلة وطاقة الحركة) أكبر بشكل ملحوظ من mc ² . من أجل البساطة ، تخيل أن طاقتهم الأولية أصبحت مساوية لـ M c ² . بعد ذلك ، سيكون إجمالي الطاقة الأولية في الصندوق 2 M c ² ، ولكي تستمر العملية ، يتطلب قانون الحفظ:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {الأولي} = M c2 = E_ {electron}$$

وهو ما لا يتعارض مع متطلبات المعادلة السابقة

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 + "طاقة الحركة" ≥ M c ^ 2> m c ^ 2$$

إن طاقة الإلكترون والبوزيترون بالكاد تكفي لإنشاء الميون والريميون المستريح (الشكل 5).


التين. 5

إذا جعلنا طاقة الإلكترون والبوزيترون أكبر ، يمكننا إنشاء الميون والأنتيمون. ستتحول الطاقة الزائدة إلى طاقة حركة الميون والأنتيمون ، انظر الشكل. 6.

لاحظ أن الكتلة لا يتم حفظها مرة أخرى ، على الرغم من الحفاظ على الطاقة. في هذه الحالة ، زادت الكتلة ، من 2 م إلى 2 م. هذا مهم جدا لفيزياء الجسيمات! هذه إحدى التقنيات الرئيسية التي نستخدمها لاكتشاف الجسيمات الجديدة. نحن نصطدم الجسيم والجسيمات المضادة بطاقات طاقة كبيرة جدًا ، على أمل أن يتحول إلى جسيم ثقيل ، لم يسبق له مثيل ، جنبًا إلى جنب مع جسيمه المضاد.


التين. 6

الملخص

• يمكن أن يهلك الجسيم الثابت والجسيم المضاد ، مما يؤدي إلى الجسيم والجسيم المضاد ، إذا كان الجسيم الأولي أثقل من الجسيم النهائي.
• الجسيم الثابت والجسيم المضاد لا يمكن أن يباد ، مما يؤدي إلى الجسيم والجسيم المضاد إذا كان الجسيم النهائي أثقل من الجسيم الأولي.
• يتحرك جسيم يتحرك بالنسبة لبعضه البعض ويمكن أن يبيد جسيمه المضاد ، مما يؤدي إلى جسيم أثقل وجسيم مضاد إذا كان لديهم طاقة حركة كافية.
• إذا كان مجموع طاقة الكتلة وطاقة حركة الجسيمات يساوي طاقة كتلة جسيم أثقل ، فإن الجسيم الثقيل الناتج والجسيم المضاد سيكونان بلا حركة.
• إذا كان مجموع طاقة الكتلة وطاقة حركة الجسيم أكبر من طاقة كتلة الجسيم الثقيل ، فإن الطاقة الزائدة ستتحول إلى طاقة حركة الجسيم الثقيل والجسيم المضاد.