Fragen Sie Ethan: Wie unterscheidet sich Antimaterie grundlegend von Materie?

Hochenergetische Teilchenkollisionen können zum Auftreten von Teilchen / Antiteilchen-Paaren oder Photonen führen, und die Vernichtung von Teilchen / Antiteilchen-Paaren führt auch zum Auftreten von Photonen, wie diese Spuren in einer Blasenkammer zeigen. Aber was bestimmt die Zugehörigkeit eines Teilchens zur Materie oder Antimaterie?

Jedes bekannte Materieteilchen im Universum hat ein doppeltes Antimaterial. Antimaterie hat viele Eigenschaften, die denen normaler Materie ähnlich sind, einschließlich Arten von Wechselwirkungen, Masse, Größe der elektrischen Ladung und so weiter. Es gibt jedoch einige grundlegende Unterschiede. Zwei Dinge über die Wechselwirkung von Materieteilchen und Antimaterie können jedoch mit Sicherheit gesagt werden: Wenn Sie ein Materieteilchen mit seinem Doppel aus Antimaterie kollidieren, vernichten sie sich sofort und verwandeln sich in Energie. Bei jeder Wechselwirkung, die ein Materieteilchen erzeugt, entsteht zwangsläufig sein Zwilling aus Antimaterie. Was macht Antimaterie so besonders? Genau das möchte unser Leser wissen, der fragt:

Was sind die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie auf einer fundamentalen Ebene? Gibt es eine innere Eigenschaft, die dazu führt, dass ein Partikel Materie oder Antimaterie wird? Gibt es eine Art von inneren Eigenschaften (wie Spin), die Quarks und Antiquarks unterscheiden? Was gibt das Präfix "Anti" Antimaterie?

Um die Antwort auf die Frage zu verstehen, müssen Sie sich die vorhandenen Partikel (und Antiteilchen) ansehen.


Partikel und Antiteilchen des Standardmodells befolgen alle Arten von Erhaltungsgesetzen, es gibt jedoch grundlegende Unterschiede zwischen Fermionen und Bosonen

Dies ist das Standardmodell für Elementarteilchen: ein vollständiger Satz offener Teilchen im bekannten Universum. Sie werden normalerweise in zwei Klassen unterteilt: Bosonen mit ganzzahligen Drehungen (..., -2, -1, 0, +1, +2, ...), die weder zur Materie noch zur Antimaterie gehören, und Fermionen mit halb ganzzahligen Drehungen (..., -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, ...), verpflichtet, in eine von zwei Kategorien zu fallen: Materie oder Antimaterie. Jedes Teilchen, das Sie nur erstellen möchten, hat viele inhärente Eigenschaften, die durch sogenannte Quantenzahlen definiert werden . In einem separaten, isolierten Partikel sind dies sowohl Ihnen vertraute Eigenschaften als auch einige Eigenschaften, die sich für Sie als unbekannt herausstellen können.


Die möglichen Konfigurationen eines Elektrons in einem Wasserstoffatom unterscheiden sich überraschend voneinander, und dennoch repräsentieren sie alle dasselbe Teilchen in leicht unterschiedlichen Quantenzuständen. Teilchen und Antiteilchen haben auch ihre eigenen, unveränderlichen Quantenzahlen, und sie spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, ob ein Teilchen zu Materie, Antimaterie oder keiner der Kategorien gehört.

Von den einfachen kann man sich an Masse und elektrische Ladung erinnern. Beispielsweise beträgt die Ruhemasse eines Elektrons 9,11 × 10 ^–31 kg und seine Ladung beträgt -1,6 × 10 ^{–19 °} C. Außerdem können Elektronen an Protonen binden, wodurch abhängig von ihrer elektromagnetischen Wechselwirkung ein Wasserstoffatom mit einer Reihe von Spektrallinien und Emissions- / Absorptionslinien entsteht. Der Elektronenspin ist +1/2 oder -1/2, die Leptonzahl ist +1, die Nummer der Leptonfamilie ist +1 für die erste der drei (Elektronen-, Mu-, Tau-) Leptonfamilien (der Einfachheit halber lassen wir Zahlen wie schwaches Isospin oder schwache Hyperladung weg )

Angesichts dieser Eigenschaften eines Elektrons kann man sich die Frage stellen, wie ein Doppelteilchen eines Elektrons aus Antimaterie nach den Regeln für Elementarteilchen aussehen soll.


In einem einfachen Wasserstoffatom umkreist ein einzelnes Elektron ein einzelnes Proton. In einem Antiwasserstoffatom bewegt sich ein Positron um ein Antiproton. Positronen und Antiprotonen sind Zwillinge in Antimaterie für Elektronen bzw. Protonen.

Die Werte aller Quantenzahlen müssen erhalten bleiben. Bei Antiteilchen müssen die Vorzeichen dieser Zahlen jedoch umgekehrt werden. Für ein Anti-Elektron bedeutet dies, dass es die folgenden Quantenzahlen haben muss:

• Ruhemasse 9,11 × 10 ^–31 kg,
• elektrische Ladung 1,6 x 10 ^-19 C,
• Spin -1/2 oder +1/2,
• Lepton Nummer -1,
• Die Nummer der Lepton-Familie ist -1.

Wenn Sie es mit einem Antiproton assoziieren, sollte es genau die gleiche Reihe von Spektrallinien und Absorptions- / Emissionslinien erzeugen, wie das Elektronen / Protonensystem zeigt.


Elektronische Übergänge in einem Wasserstoffatom und die Wellenlängen der resultierenden Photonen zeigen den Effekt der Bindungsenergie und die Wechselwirkung zwischen einem Elektron und einem Proton in der Quantenphysik. Die Identität der Spektrallinien in Positronen und Antiprotonen wird bestätigt.

Alle diese Tatsachen wurden experimentell bestätigt. Ein Teilchen, das genau der Beschreibung eines Anti-Elektrons entspricht, wird als Positron bezeichnet. Dies ist notwendig, wenn Sie überlegen, wie wir Materie und Antimaterie erzeugen: Normalerweise erschaffen wir sie aus dem Nichts. Das heißt, wenn zwei Teilchen bei ausreichend hohen Energien kollidieren, ist es gemäß dem Erhaltungsgesetz häufig möglich, aus überschüssiger Energie (aus Einsteins E = mc ² ) ein zusätzliches Teilchen / Antiteilchen-Paar zu erhalten.


Wenn wir ein Teilchen mit einem Antiteilchen konfrontieren, können wir erwarten, dass es sich vernichtet und in Energie umgewandelt wird. Daraus folgt, dass Sie durch Kollision zweier Partikel mit einer ausreichend hohen Energie ein Partikel / Antiteilchen-Paar erzeugen können

Es muss aber nicht nur Energie gespart werden. Es gibt immer noch einen ganzen Berg von Quantenzahlen, die ebenfalls erhalten bleiben müssen! Dazu gehören:

• elektrische Ladung
• Drehimpuls (eine Kombination aus Spin und Umlaufdrehimpuls; für einzelne Partikel ist es nur ein Spin),
• Lepton Nummer
• Baryonenzahl
• Lepton Familiennummer,
• Farbladung.

Und von all diesen inneren Eigenschaften bestimmen zwei die Zugehörigkeit zu Materie und Antimaterie - die Baryonenzahl und die Leptonzahl.


Im frühen Universum gab es extrem viele aller Teilchen und ihre Antiteilchen, aber als es abkühlte, vernichteten die meisten Teilchen. Alle unsere gewöhnlichen Stoffe sind aus Quarks und Leptonen entstanden, deren positive Baryonen- und Leptonzahlen die Anzahl ihrer Doppel-, Antiquarks und Antileptonen übersteigen.

Wenn eine dieser Zahlen positiv ist, gehört das Teilchen zur gewöhnlichen Materie. Daher gehören Quarks (mit einer Baryonenzahl +1/3), Elektronen, Myonen, Tau, Neutrinos (mit einer Leptonzahl +1) zur Materie und Antiquarks, Positronen, Antimuonen, Antitau, Antineutrino - zur Antimaterie. Dies sind alles Fermionen und Antifermionen, und jede Fermion ist ein Teilchen der Materie, und Antifermion ist ein Teilchen der Antimaterie.


Partikel des Standardmodells mit Massen in MeV / s ² in den oberen linken Ecken angegeben. Die drei linken Spalten sind Fermionen, die beiden rechten Spalten sind Bosonen. Und obwohl alle Teilchen ihre eigenen Antiteilchen haben, gehören nur Fermionen zur Materie oder Antimaterie.

Es gibt aber auch Bosonen. Es gibt Gluonen, deren Antiteilchen Gluonen mit entgegengesetzten Farbkombinationen sind; es gibt W ⁺ mit dem Antiteilchen W ^- (mit der entgegengesetzten elektrischen Ladung); es gibt Z ⁰ , das Higgs-Boson und ein Photon, dessen Antiteilchen sie selbst sind. Bosonen sind jedoch weder mit Materie noch mit Antimaterie verwandt. Ohne Lepton- oder Baryonenzahlen können diese Partikel eine elektrische Ladung, Farbladung, Spin usw. haben. - aber niemand kann sie "Materie" oder "Antimaterie" nennen. In diesem Fall sind Bosonen nur Bosonen, und wenn sie keine Ladung haben, sind sie ihre eigenen Antiteilchen.


Auf allen Ebenen des Universums, von unserer Region bis zum interstellaren Raum, von einzelnen Galaxien bis zu Clustern und Filamenten und dem großen kosmischen Netz, scheint alles, was wir beobachten, aus gewöhnlicher Materie zu bestehen, aber nicht aus Antimaterie. Dieses Rätsel bleibt ungelöst.

Was gibt der Antimaterie das Präfix „anti“? Wenn wir ein separates Teilchen nehmen, hat sein Antiteilchen die gleiche Masse und alle die gleichen Quantenzahlen mit dem entgegengesetzten Vorzeichen: Es ist ein Teilchen, das sich vom ersten an vernichten und in Energie umwandeln kann. Aber um Materie zu sein, muss das Teilchen eine positive Baryon- oder Leptonzahl haben. Um Antimaterie zu sein, müssen Sie eine negative Baryon- oder Leptonzahl haben. Darüber hinaus gibt es in unserem Universum keine fundamentalen Gründe, warum Materie Antimaterie in irgendeiner Weise überlegen wäre; Wir wissen immer noch nicht, wie diese Symmetrie gebrochen wurde (obwohl wir Ideen haben). Wenn alles anders laufen würde, würden wir wahrscheinlich alles, was wir aus "Materie" machen, und den Rest "Antimaterie" nennen, aber diese Namen werden willkürlich vergeben. Wie immer ist das Universum auf der Seite der Überlebenden.