اسأل إيثان: كيف تختلف المادة المضادة جوهريًا عن المادة؟

يمكن أن تؤدي تصادمات الجسيمات عالية الطاقة إلى ظهور أزواج أو جسيمات / جسيمات مضادة للجسيمات ، وإبادة أزواج الجسيمات / الجسيمات المضادة تؤدي أيضًا إلى ظهور الفوتونات ، كما تظهر هذه الآثار في غرفة الفقاعة. ولكن ما الذي يحدد انتماء جسيم للمادة أو المادة المضادة؟

كل جسيم معروف في الكون له ضعف مضاد للمادة. تحتوي المادة المضادة على العديد من الخصائص المشابهة لتلك الموجودة في المادة العادية ، بما في ذلك أنواع التفاعلات والكتلة وحجم الشحنة الكهربائية وما إلى ذلك. ولكن هناك العديد من الاختلافات الجوهرية. ومع ذلك ، يمكن قول شيئين حول تفاعل جزيئات المادة والمادة المضادة على وجه اليقين: إذا اصطدم جسيم من المادة مع ضعفه من المادة المضادة ، فسيتم إبادةهما على الفور ، ويتحولان إلى طاقة ، وفي أي تفاعل يخلق جسيمًا للمادة ، سينشأ التوأم من المادة المضادة بالضرورة. ما الذي يجعل المادة المضادة خاصة؟ هذا هو بالضبط ما يريد قارئنا معرفته ، والذي يسأل:

ما هي الاختلافات بين المادة والمادة المضادة على المستوى الأساسي؟ هل هناك أي خاصية داخلية تجعل الجسيم مادة أو مادة مضادة؟ هل هناك نوع من الملكية الداخلية (مثل الدوران) التي تميز الكواركات والقطع الأثرية؟ ما الذي يعطي البادئة مضاد "مضاد"؟

لفهم إجابة السؤال ، تحتاج إلى إلقاء نظرة على الجسيمات الموجودة (والجسيمات المضادة).


تخضع الجسيمات والجسيمات المضادة في النموذج القياسي لجميع أنواع قوانين الحفظ ، ولكن هناك اختلافات جوهرية بين الفرميونات والبوزونات

هذا هو النموذج القياسي للجسيمات الأولية: مجموعة كاملة من الجسيمات المفتوحة في الكون المعروف. عادة ما يتم تقسيمها إلى فئتين: بوزونات مع لفات صحيحة (... ، -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، ...) ، والتي لا تنتمي إلى أي من المادة أو المادة المضادة ، والفرميونات مع نصف عدد صحيح يدور. (... ، -3/2 ، -1/2 ، +1/2 ، +3/2 ، ...) ، ملزمة بالوقوع في إحدى فئتين: المادة أو المادة المضادة. أي جسيم تريد فقط إنشاؤه سيكون له الكثير من الخصائص المتأصلة التي يحددها ما نسميه بالأرقام الكمية . في جسيم منفصل ومعزول ، ستكون هذه خصائص مألوفة لك ، والعديد من الخصائص التي قد تكون غير مألوفة لك.


تختلف التكوينات المحتملة للإلكترون في ذرة الهيدروجين بشكل مدهش عن بعضها البعض ، ومع ذلك فهي تمثل نفس الجسيم في حالات كمية مختلفة قليلاً. الجسيمات والجسيمات المضادة لها أيضًا أرقام كمية خاصة بها لا تتغير ، وهي تلعب دورًا رئيسيًا في تحديد ما إذا كان الجسيم ينتمي إلى المادة أو المادة المضادة أو إلى أي من الفئات.

من البسيط ، يمكن للمرء أن يتذكر الكتلة والشحنة الكهربائية. على سبيل المثال ، الكتلة المتبقية للإلكترون هي 9.11 × 10 ^-31 كجم ، وشحنتها هي 1.6 × 10-19 ^سم . أيضا ، يمكن أن ترتبط الإلكترونات بالبروتونات ، والتي تعطي ذرة الهيدروجين مع مجموعة من الخطوط الطيفية وخطوط الانبعاث / الامتصاص ، اعتمادًا على تفاعلها الكهرومغناطيسي. تدور الإلكترون هي +1/2 أو -1/2 ، رقم lepton هو +1 ، عدد عائلة lepton هو +1 لأول عائلة من ثلاث مجموعات (إلكترون ، mu ، تاو) عائلات lepton (للبساطة نحذف مثل هذه الأرقام مثل الأيزوسبين الضعيف أو فرط الشحن الزائد )

بالنظر إلى خصائص الإلكترون هذه ، يمكن للمرء أن يطرح سؤالًا - كيف يجب أن يبدو الجسيم المزدوج للإلكترون من المادة المضادة بناءً على القواعد التي تحكم الجسيمات الأولية.


في ذرة هيدروجين بسيطة ، يدور إلكترون واحد حول بروتون واحد. في ذرة الهيدروجين ، يتحرك بوزيترون واحد حول مضاد بروتون واحد. Positrons و antiprotons هما توأمان في المادة المضادة للإلكترونات والبروتونات ، على التوالي.

يجب الحفاظ على قيم جميع الأرقام الكمومية. ولكن في الجسيمات المضادة ، يجب عكس علامات هذه الأرقام. بالنسبة لمضاد الإلكترون ، هذا يعني أنه يجب أن يحتوي على الأرقام الكمية التالية:

• كتلة الراحة 9.11 × ^10-31 كجم ،
• الشحنة الكهربائية 1.6 × ^10-19 درجة مئوية ،
• تدور -1/2 أو +1/2 ،
• رقم لبتون -1 ،
• عدد عائلة ليبتون هو -1.

عندما تربطه بمضاد البروتون ، يجب أن يولد بالضبط نفس السلسلة من الخطوط الطيفية وخطوط الامتصاص / الانبعاث كما يوضح نظام الإلكترون / البروتون.


توضح التحولات الإلكترونية في ذرة الهيدروجين وأطوال موجات الفوتونات الناتجة تأثير طاقة الربط والتفاعل بين الإلكترون والبروتون في فيزياء الكم. تم تأكيد هوية الخطوط الطيفية في البوزيترونات والبروتونات المضادة.

كل هذه الحقائق تم تأكيدها تجريبيا. يُعرف الجسيم الذي يطابق تمامًا وصف مضاد للإلكترون باسم البوزيترون. هذا ضروري عندما تفكر في كيفية إنشاء المادة والمادة المضادة: عادة ننشئها من لا شيء. أي أنه إذا اصطدم جسيمان بطاقات عالية بما فيه الكفاية ، فمن الممكن غالبًا الحصول على زوج إضافي من الجسيمات / الجسيمات من الطاقة الزائدة (من Einstein's E = mc ² ) ، وفقًا لقانون الحفظ.


عند مواجهة جسيم بمضاد جسيم ، يمكننا أن نتوقع أن يهلك ، ويتحول إلى طاقة. ومن هذا يترتب على ذلك أن اصطدام أي جزيئين بطاقة عالية بما فيه الكفاية ، يمكنك إنشاء زوج جسيم / مضاد للجسيمات

ولكن ليس فقط يجب الحفاظ على الطاقة ؛ لا يزال هناك جبل كامل من الأرقام الكمية التي يجب الحفاظ عليها أيضًا! وتشمل هذه:

• شحنة كهربائية
• الزخم الزاوي (مزيج من الزخم الدوراني والزخم المداري ؛ للجسيمات الفردية هو مجرد دوران) ،
• رقم ليبتون
• رقم الباريون
• رقم عائلة ليبتون ،
• شحن اللون.

ومن بين كل هذه الخصائص الداخلية ، يحدد اثنان العضوية في المادة والمادة المضادة - رقم الباريون ورقم ليبتون.


في بدايات الكون ، كان هناك عدد كبير جدًا من جميع الجسيمات والجسيمات المضادة لها ، ولكن أثناء تبريدها ، تم إبادة معظم الجسيمات. نشأت جميع موادنا العادية من الكواركات واللبتونات ، مع أعداد الباريون واللبتون الإيجابية ، التي تجاوزت عدد التوائم والعلامات القديمة والأنتيلبتونات.

إذا كان أي من هذه الأرقام موجبًا ، فإن الجسيم ينتمي إلى مادة عادية. لذلك ، فإن الكواركات (التي تحتوي على رقم باريون +1/3) ، والإلكترونات ، والميونات ، تاو ، والنيوترينوات (مع رقم ليبتون +1) تنتمي إلى المادة ، والعلامات القديمة ، البوزيترونات ، الأنتيمون ، أنتيتو ، مضاد النيترينو - إلى المادة المضادة. هذه كلها فيرميريات ومضادات للإشعاع ، وكل فرميون هو جزء من المادة ، والمضاد هو جزء من المادة المضادة.


جزيئات النموذج القياسي مع الكتل في MeV / s ² المشار إليها في الزوايا العلوية اليسرى. الأعمدة الثلاثة اليسرى هي الفرميونات ، والعمودان الأيمن بوزونات. وعلى الرغم من أن جميع الجسيمات لها جسيماتها المضادة الخاصة بها ، إلا أن الفرميونات تنتمي إلى المادة أو المادة المضادة.

ولكن هناك أيضا بوزونات. هناك غلوونات جسيماتها المضادة هي غلوونات ذات تركيبات ألوان متقابلة ؛ هناك W ⁺ مع الجسيم المضاد W ^- (مع الشحنة الكهربائية المعاكسة) ؛ هناك Z ⁰ ، بوزون هيجز ، وفوتون ، الجسيمات المضادة التي هم أنفسهم. ومع ذلك ، لا ترتبط البوزونات بالمادة ولا المادة المضادة. بدون أرقام lepton أو baryon ، يمكن أن يكون لهذه الجسيمات شحنة كهربائية ، شحنة ملونة ، دوران ، إلخ. - ولكن لا يمكن لأحد أن يطلق عليها "المادة" أو "المادة المضادة". في هذه الحالة ، البوزونات هي مجرد بوزونات ، وإذا لم يكن لديها شحنة ، فهي جسيماتها المضادة الخاصة بها.


على جميع مقاييس الكون ، من منطقتنا إلى الفضاء بين النجوم ، من المجرات الفردية إلى التجمعات والخيوط والشبكة الكونية العظيمة ، يبدو أن كل ما نلاحظه يتألف من مادة عادية ، ولكن ليس من المادة المضادة. هذا اللغز لا يزال دون حل.

إذن ما الذي يعطي البادئة "مضاد" للمادة المضادة؟ إذا أخذنا جسيمًا منفصلاً ، فسيكون للجسيم المضاد نفس الكتلة ، وجميع الأرقام الكمية نفسها مع العلامة المعاكسة: إنه جسيم يمكن أن يبيد من الأول ويتحول إلى طاقة. ولكن لكي تكون المادة ، يجب أن يكون للجسيم رقم إيجابي إما باريون أو ليبتون. لكي تكون مضادًا ، يجب أن يكون لديك رقم سالب إما باريون أو ليبتون. بالإضافة إلى ذلك ، في الكون لا توجد أسباب جوهرية تجعل المادة متفوقة على المادة المضادة بأي شكل من الأشكال. ما زلنا لا نعرف كيف تم كسر هذا التناظر (على الرغم من أن لدينا أفكار). إذا سارت الأمور بشكل مختلف ، فربما نسمي كل شيء مصنوع من "المادة" والباقي "المادة المضادة" ، ولكن يتم إعطاء هذه الأسماء بشكل تعسفي. كالعادة ، الكون إلى جانب أولئك الذين نجوا.