Teilchen, Antiteilchen und ihre Vernichtung

Antiteilchen werden oft mystischer und mysteriöser dargestellt als sie wirklich sind, und dies alles dank Science Fiction und anderen Werken wie Dan Browns „ Angels and Demons “.

Jeder Partikeltyp hat ein Antiteilchen. Normalerweise ist dies ein separates Partikel, aber es kommt vor, dass Antiteilchen und Partikel ein und dasselbe sind. Nur Partikel, die bestimmte Bedingungen erfüllen (z. B. elektrisch neutral), können von sich aus Antiteilchen sein. Eine kleine Liste von Beispielen für solche Teilchen sind Photonen, Z-Teilchen, Gluonen und Gravitonen. Vielleicht drei Neutrinos. Alle anderen Teilchen haben separate Antiteilchen, die die gleiche Masse, aber die entgegengesetzte elektrische Ladung haben. Ein Neutron ist ein Beispiel für ein elektrisch neutrales Teilchen, das kein Antiteilchen für sich ist. Wie ein Proton hat ein Neutron mehr Quarks als Antiquarks, und ein Antineutron hat mehr Antiquarks als Quarks.

Für andere Partikel als Antiteilchen sind die Namen der Antiteilchen normalerweise ziemlich offensichtlich (oberes Antiquark, Antineutrino, Antitau), mit Ausnahme des Antielektrons, das üblicherweise als Positron bezeichnet wird.

Wofür ist Antimaterie so berühmt, warum klingt sie so mysteriös? All dies dank der Aussage „Materie und Antimaterie vernichten sich zu reiner Energie“. Diese Aussage klingt cool, ist aber nicht ernst. Es ist nicht ganz falsch, aber auch nicht wahr. Die Realität ist komplexer und nicht so überraschend.

Der Einfachheit halber lassen Physiker das Präfix „anti“ oft weg, wenn es aus dem Kontext ersichtlich ist. Beispiele:

• In vielen Prozessen treten Myon und Antimuon auf. Physiker nennen dies manchmal das "Myonenpaar".
• Ein W-Teilchen zerfällt in einen oberen und einen unteren Antiquark, und es wird oft gesagt, dass es „in Quarks“ zerfällt.

Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen

Die Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen erfordert viele Materialien - es klingt mysteriös, beängstigend und fantastisch -, aber dies sind die Hauptprozesse im Herzen der Teilchenphysik, und eine solche Beschreibung führt zu häufigen Missverständnissen. Ich möchte einige Grundregeln beschreiben, die bestimmen, ob sich ein Partikel und ein Antiteilchen eines Typs in ein anderes Paar von Partikeln und Antiteilchen verwandeln, die sich einander nähern. Dies ist keine vollständige Geschichte der Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen, sondern ein guter Anfang.

In einer Welt wie unserer, die von der Quantenmechanik und Einsteins Relativitätstheorie gesteuert wird, gibt es einen mathematischen Satz: Für jeden Partikeltyp gibt es einen entsprechenden Antiteilchentyp mit genau derselben Masse. Dies ist nicht nur ein Satz - für alle bekannten Teilchen wurden Antiteilchen experimentell erhalten, daher gibt es nichts zu streiten.

Einige Teilchen fallen jedoch mit Antiteilchen zusammen: Das Antiteilchen für ein Photon (Lichtteilchen) ist ein Photon. Gleiches gilt für das Z-Teilchen und das Higgs-Teilchen. Andererseits hat ein Elektron mit einer negativen (per Definition) elektrischen Ladung ein Antiteilchen, ein Anti-Elektron oder ein Positron, mit einer positiven Ladung. Fast alle bekannten Partikel haben dies: Ein Myon hat ein Antimuon, ein oberer Quark hat einen oberen Antiquark, ein W-Partikel mit einer positiven Ladung hat ein Antiteilchen W mit einem negativen.

Wenn Sie ein Partikel und ein Antiteilchen zusammenbringen, werden fast alle ihre Eigenschaften gegenseitig zerstört. Zum Beispiel ist die elektrische Ladung eines Myons (eines schweren Cousins ​​eines Elektrons) plus die elektrische Ladung eines Antimuons Null. Der erste ist negativ, der zweite ist positiv, aber sie sind gleich groß. Das einzige, was nicht zerstört wird, ist ihre Masse und Energie. Diese Aussage ist zwar ein kleiner Trick. Masse ist nicht „konserviert“ - sie kann erscheinen und verschwinden , was für die Teilchenphysik sehr gut ist. Das einzige, was nirgendwo hingehen wird, ist Energie. Energie wird gespart: mit dem du angefangen hast, damit wirst du enden.

1. Myon und Antimuon verwandeln sich in zwei Photonen

Angenommen, ich habe einen Schuhkarton, in dem sich nur Myon und Antimuon befinden, die praktisch in Ruhe sind. Dann ist die Energie in der Box gleich der Energie der Masse des Myons und der Energie der Masse des Antimuons. ["Praktisch" - weil ich das elektrische Feld zwischen dem Myon und dem Antimuon weglasse, aber dies ist ein sehr kleiner Effekt, der in unserem Fall ignoriert werden kann.] Angenommen, die Masse des Myons ist M, dann ist die Energie der Masse des Myons M c ² , und das gleiche wird sein wahr für Antimuon. Die Impulse beider Teilchen sind Null, weil sie sich nicht bewegen. Die Gesamtenergie E und der Impuls p in der Box sind anfänglich

$$

$$E_ {initial} = 2 M c ^ 2 \\ p_ {initial} = 0$$

Alles andere in der Box ist Null: die gesamte elektrische Ladung, der Drehimpuls usw. Nur Energie. Und die Masse - aber sie sind miteinander verbunden.

Da sich fast alles gegenseitig vernichtet, können sich Partikel und Antiteilchen durch eine der vier bekannten Wechselwirkungen in ein anderes Partikel und dessen Antiteilchen umwandeln. Zum Beispiel können sich ein Myon und ein Antimuon in ein Photon und ein zweites Photon verwandeln (denken Sie daran, das Photon ist selbst ein Antiteilchen). Beide Photonen werden Energie haben - aber wie viel? Nun, die Photonen werden gleich sein und sie werden die gleiche Energie haben, und da sie gespeichert sind, wird die gesamte Endenergie dieselbe sein wie die gesamte Anfangsenergie:

$$

$$E_ {Photon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {initial} = M c ^ 2 = E_ {muon}$$

Achten Sie darauf, was für eine coole Sache gerade passiert ist: Wir begannen mit massiven Partikeln, von denen sich jedes nicht bewegte und keine Bewegungsenergie besaß, sondern Massenenergie M c ² . Und am Ende hatten wir zwei masselose Teilchen ohne Massenenergie, aber mit einer Bewegungsenergie, die der Massenenergie der Myonen entspricht:
M c ² . Siehe Abb. 1.


Abb. 1

Auch Photonen haben Impulse. Die Impulse der beiden Photonen werden jedoch entgegengesetzt gerichtet und gegenseitig zerstört, so dass der Gesamtimpuls Null ist.

$$

$$p_ {final} = p_ {initial} = 0$$

Beachten Sie, dass Energie erhalten bleibt, Impuls erhalten bleibt, Masse jedoch nicht. Die resultierende Masse ist Null, obwohl die Anfangsmasse 2 M beträgt.

2. Das Myon und das Antimuon verwandeln sich in ein Elektron und ein Anti-Elektron

Einfache Reaktion:

$$

$$Partikel_1 + Antiteilchen_1 \ rechter Pfeil Partikel_2 + Antiteilchen_2$$

nicht nur ein möglicher Prozess zur Vernichtung eines Partikels und eines Antiteilchens, sondern auch sehr häufig. Schauen wir uns eine andere Option für Partikel 2 an.


Abb. 2

Anstatt zwei Photonen zu werden, können sich Myon und Antimuon in ein Elektron und ein Positron (Anti-Elektron) verwandeln, wie in Abb. 2. Beide haben die gleiche Masse; nennen wir sie m. Die Masse eines Elektrons ist etwa 200-mal kleiner als die Masse des Myons M. Was das Myon und das Antimuon in Photonen oder ein Elektron / Positron-Paar verwandeln, bestimmt die Zufälligkeit, jedoch mit der Wahrscheinlichkeit, die durch die Gleichungen der Quantenmechanik beschrieben wird.

Die gleiche Logik wie zuvor führt uns zu der gleichen Schlussfolgerung. Wir werden Symmetrie haben, ein Elektron und ein Positron, mit der gleichen Masse, der gleichen Energie, und dank des Erhaltungsgesetzes sollte die Gesamtenergie die gleiche sein wie die Anfangsenergie des Myons.

$$

$$E_ {Elektron} = E_ {Positron} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {initial} = M c2 = E_ {Myon}$$

Die Situation ist etwas anders: Wir haben mit massiven bewegungslosen Partikeln begonnen, die keine Bewegungsenergie und Massenenergie M c ^{2 haben} . Und wir endeten mit zwei massiven Teilchen, von denen jedes eine Energie der Masse mc ² und viel Energie der Bewegung hat und die Gesamtenergie eines Elektrons gleich der Energie der Masse des Myons M c ^{2 ist} . Wiederum wird der Elektronenimpuls mit dem Positronenimpuls gegenseitig zerstört:

$$

$$p_ {final} = 0$$

Natürlich werden ihre elektrischen Ladungen gegenseitig zerstört. Vor der Umwandlung war keine Ladung in der Box, danach keine. Energie bleibt wieder erhalten, Impuls bleibt erhalten, Ladung bleibt erhalten, Masse jedoch nicht. Die Anfangsmasse betrug 2 M und die Endmasse betrug 2 m.


Abb. 3

3. Elektronen und Antielektronen verwandeln sich in zwei Photonen

Ein ruhendes Elektron und ein Positron können sich wie ein Myon und ein Antimuon in zwei Photonen verwandeln. Alle Berechnungen können durchgeführt werden, wodurch das Problem auf den Fall von Myonen reduziert wird und M einfach überall durch m ersetzt wird. Es gibt keinen Unterschied (vgl. Abb. 1 und Abb. 3).

4. Können aus einem Elektron und einem Antielektron Myon und Antimuon werden?

Nein und ja. Die Antwort hängt von der Frage ab:

• Nein, wenn das Elektron und das Positron anfänglich in Ruhe sind. Sie haben nicht genug Energie, um Myon und Antimuon zu erzeugen, daher wird dieser Prozess nicht stattfinden.
• Ja, wenn das Elektron und das Positron hohe Bewegungsenergien haben und sehr stark kollidieren. Ein Prozess kann passieren, wenn sie genug Energie haben.

Stellen wir zunächst sicher, dass sich Elektron und Positron, wenn sie sich in Ruhe befinden - sie haben nicht die Bewegungsenergie - nicht in Myon und Antimuon verwandeln können. Die Logik ist einfach - wir müssen nur zum vorherigen Problem zurückkehren, bei dem sich Myon und Antimuon in ein Elektron und ein Positron verwandelten und überall das Myon durch ein Elektron ersetzten, das Antimuon durch ein Positron, M durch m. Es wird sich herausstellen:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {initial} = m c ^ 2 = E_ {elektron}$$

Aber das ist unmöglich! Das Myon hat eine Energie der Masse M c ² plus positive Bewegungsenergie. M> m. Es stellt sich ein Widerspruch heraus:

$$

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

Die Myonenenergie kann nicht gleich mc ^{2 sein} , wie es für die Energieeinsparung erforderlich ist, da M> m ist. Man muss zugeben, dass dieser Prozess nicht stattfinden kann.


Abb. 4

Genau aus diesem Grund funktioniert dieser Versuch jedoch nicht und zeigt uns, wie wir das erreichen können, was wir wollen. Das ruhende Elektron und das Positron müssen nicht berücksichtigt werden. Beschleunigen wir sie - fast auf Lichtgeschwindigkeit, so dass ihre Bewegungsenergie sehr groß wird und die Gesamtenergie (Massenenergie und Bewegungsenergie) merklich größer als mc ^{2 ist} . Stellen Sie sich der Einfachheit halber vor, dass ihre Anfangsenergie gleich M c ^{2 geworden ist} . Dann beträgt die gesamte Anfangsenergie in der Box 2 M c ² , und damit der Prozess abläuft, verlangt das Erhaltungsgesetz:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {initial} = M c2 = E_ {elektron}$$

Dies widerspricht nicht den Anforderungen der vorherigen Gleichung

$$

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

Die Energie von Elektron und Positron reicht kaum aus, um das ruhende Myon und Antimuon zu erzeugen (Abb. 5).


Abb. 5

Wenn wir die Energie von Elektron und Positron noch größer machen, können wir Myon und Antimuon erzeugen. Die überschüssige Energie wird in die Bewegungsenergie von Myon und Antimuon umgewandelt, siehe Abb. 6.

Beachten Sie, dass die Masse nicht wieder erhalten bleibt, obwohl Energie erhalten bleibt. In diesem Fall erhöhte sich die Masse von 2 m auf 2 m. Dies ist sehr wichtig für die Teilchenphysik! Dies ist eine der Haupttechniken, mit denen wir neue Partikel entdecken. Wir kollidieren das Teilchen und das Antiteilchen mit sehr großen Bewegungsenergien und hoffen, dass sie zusammen mit ihrem Antiteilchen zu einem zuvor beispiellosen schweren Teilchen werden.


Abb. 6

Zusammenfassung

• Ein stationäres Teilchen und sein Antiteilchen können sich vernichten und zu einem Teilchen und einem Antiteilchen führen, wenn das ursprüngliche Teilchen schwerer als das letzte ist.
• Ein stationäres Partikel und ein Antiteilchen können sich nicht vernichten, was zu einem Partikel und einem Antiteilchen führt, wenn das endgültige Partikel schwerer als das ursprüngliche ist.
• Ein Teilchen, das sich relativ zueinander und seinem Antiteilchen bewegt, kann sich vernichten und zu einem schwereren Teilchen und Antiteilchen führen, wenn sie über genügend Bewegungsenergie verfügen.
• Wenn die Summe aus Massenenergie und Partikelbewegungsenergie gleich der Massenenergie eines schwereren Partikels ist, sind die resultierenden schweren Partikel und Antiteilchen bewegungslos.
• Wenn die Summe aus der Energie der Masse und der Energie der Bewegung des Partikels größer ist als die Massenenergie des schwereren Partikels, wird die überschüssige Energie in die Bewegungsenergie der schwereren Partikel und Antiteilchen umgewandelt.