कण, एंटीपार्टिकल्स और उनका सर्वनाश

एंटीपार्टिकल्स को अक्सर अधिक रहस्यमय और रहस्यमय तरीके से प्रस्तुत किया जाता है क्योंकि वे वास्तव में हैं, और यह सब विज्ञान कथा और अन्य कार्यों के लिए धन्यवाद है, जैसे डैन ब्राउन के " एन्जिल्स और डीमन्स "।

प्रत्येक प्रकार के कण में एक एंटीपार्टिकल होता है। आमतौर पर यह एक अलग कण है, लेकिन ऐसा होता है कि एंटीपार्टिकल और कण एक समान होते हैं। केवल कण जो कुछ स्थितियों को संतुष्ट करते हैं (उदाहरण के लिए, विद्युत रूप से तटस्थ) अपने स्वयं के एंटीपार्टिकल्स हो सकते हैं। ऐसे कणों के उदाहरणों की एक छोटी सूची फोटोन, जेड कण, ग्लूऑन और ग्रेविटॉन हैं। शायद तीन न्यूट्रिनो। अन्य सभी कणों में अलग-अलग एंटीपार्टिकल्स होते हैं जिनका द्रव्यमान समान होता है लेकिन विपरीत विद्युत आवेश होता है। न्यूट्रॉन एक विद्युतीय रूप से तटस्थ कण का एक उदाहरण है जो स्वयं का एक एंटीपार्टिकल नहीं है। एक प्रोटॉन की तरह, एक न्यूट्रॉन में एंटिकार्क्स की तुलना में अधिक क्वार्क होते हैं, और एक एंटीन्यूट्रॉन में क्वार्क की तुलना में अधिक एंटीक्वार्क होते हैं।

एंटीपार्टिकल्स के अलावा अन्य कणों के लिए, एंटीपार्टिकल्स के नाम आमतौर पर काफी स्पष्ट होते हैं (ऊपरी एंटिकार्क, एंटीन्यूट्रिनो, एंटीटाऊ), एंटीलेक्ट्रान के अपवाद के साथ, जिसे आमतौर पर पॉज़िट्रॉन कहा जाता है।

एंटीमैटर क्या इतना प्रसिद्ध है, यह इतना रहस्यमय क्यों लगता है? यह सब बयान के लिए धन्यवाद "मामला और एंटीमैटर शुद्ध ऊर्जा में विलोपित करता है"। यह कथन शांत लगता है, लेकिन यह गंभीर नहीं है। यह पूरी तरह से गलत नहीं है, लेकिन सच भी नहीं है। वास्तविकता अधिक जटिल है और इतनी आश्चर्यजनक नहीं है।

सादगी के लिए, भौतिकविदों अक्सर उपसर्ग "विरोधी" को छोड़ देते हैं, जब यह संदर्भ से स्पष्ट होता है। उदाहरण:

• कई प्रक्रियाओं में, म्यूऑन और एंटीमुअन दिखाई देते हैं। भौतिक विज्ञानी कभी-कभी इसे "म्यूऑन जोड़ी" कहते हैं।
• एक डब्ल्यू-कण एक ऊपरी क्वार्क और एक निचले एंटीकार्क में घटता है, और अक्सर कहा जाता है कि यह "टार्क" में आता है।

कणों और एंटीपार्टिकल्स का एनीहिलेशन

कणों और एंटीपार्टिकल्स का एनीहिलेशन बहुत सारी सामग्रियों को समर्पित करता है - यह रहस्यमय, डरावना और शानदार लगता है - लेकिन ये कण भौतिकी के केंद्र में होने वाली मुख्य प्रक्रियाएं हैं, और इस तरह के विवरण से अक्सर गलतफहमी होती है। मैं कुछ बुनियादी नियमों का वर्णन करना चाहता हूं जो यह निर्धारित करते हैं कि एक प्रकार का कण और एंटीपार्टिकल एक दूसरे के पास पहुंचने वाले कणों और एंटीपार्टिकल्स की जोड़ी में बदल जाते हैं या नहीं। यह कणों और एंटीपार्टिकल्स के सर्वनाश का पूरा इतिहास नहीं है, बल्कि एक अच्छी शुरुआत है।

हमारे जैसे दुनिया में, क्वांटम यांत्रिकी और आइंस्टीन की सापेक्षता द्वारा नियंत्रित, एक गणितीय प्रमेय है: प्रत्येक प्रकार के कण के लिए एक समान द्रव्यमान के साथ एक समान प्रकार का एंटीपार्टिकल होता है। यह केवल एक प्रमेय नहीं है - सभी ज्ञात कणों के लिए, एंटीपार्टिकल्स को प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त किया गया था, इसलिए इसके बारे में बहस करने के लिए कुछ भी नहीं है।

हालांकि, कुछ कण एंटीपार्टिकल्स के साथ मेल खाते हैं: एक फोटॉन (प्रकाश के कण) के लिए एंटीपार्टिकल एक फोटॉन होगा। जेड-कण और हिग्स कण के लिए भी यही होगा। दूसरी ओर, नकारात्मक (परिभाषा के अनुसार) विद्युत आवेश वाले इलेक्ट्रॉन में एक एंटीपार्टिकल, एंटी-इलेक्ट्रॉन या पॉज़िट्रॉन होता है, जिसका एक सकारात्मक आवेश होता है। लगभग सभी ज्ञात कणों में यह होता है: एक म्यूऑन में एक एंटीमून होता है, एक ऊपरी क्वार्क में एक ऊपरी एंटिकार्क होता है, एक सकारात्मक चार्ज के साथ एक डब्ल्यू-कण में एक एंटीपार्टिकल डब्ल्यू होता है जिसमें एक नकारात्मक होता है।

यदि आप एक कण और एक एंटीपार्टिकल को एक साथ लाते हैं, तो उनके लगभग सभी गुण परस्पर नष्ट हो जाते हैं। उदाहरण के लिए, एक म्यूऑन (इलेक्ट्रान का एक भारी चचेरे भाई) का इलेक्ट्रिक चार्ज और एंटीमून का इलेक्ट्रिक चार्ज शून्य होगा। पहला नकारात्मक है, दूसरा सकारात्मक है, लेकिन वे आकार में समान हैं। केवल एक चीज जो नष्ट नहीं होती है वह है उनका द्रव्यमान और ऊर्जा। सच है, यह कथन थोड़ा पेचीदा है। द्रव्यमान "संरक्षित" नहीं है - यह प्रकट और गायब हो सकता है , जो कण भौतिकी के लिए बहुत अच्छा है। केवल एक चीज जो कहीं नहीं जाएगी वह है ऊर्जा। ऊर्जा बचाई जाती है: जिसके साथ आपने शुरुआत की थी, इसी के साथ आप समाप्त हो जाएंगे।

1. म्यूऑन और एंटीमुअन दो फोटोन में बदल जाते हैं

मान लीजिए मेरे पास एक शोएबॉक्स है जिसमें कुछ भी नहीं है, लेकिन म्यूऑन और एंटीमोन जो व्यावहारिक रूप से आराम कर रहे हैं। तब बॉक्स के अंदर की ऊर्जा म्यूऑन के द्रव्यमान की ऊर्जा और एंटीम्यून के द्रव्यमान की ऊर्जा के बराबर होती है। ["व्यावहारिक रूप से" - क्योंकि मैं म्यूऑन और एंटीमून के बीच विद्युत क्षेत्र को छोड़ देता हूं, लेकिन यह एक बहुत ही छोटा प्रभाव है जिसे हमारे मामले में नजरअंदाज किया जा सकता है।] मान लीजिए कि म्यूऑन का द्रव्यमान M है, तो muon के द्रव्यमान की ऊर्जा M c ^{2 होगी} , और वही होगा। एंटीमून के लिए सही है। दोनों कणों का क्षण शून्य होगा, क्योंकि वे गति नहीं करते हैं। बॉक्स में कुल ऊर्जा ई और गति पी शुरू में हैं

$$

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

बॉक्स में बाकी सब कुछ शून्य है: कुल इलेक्ट्रिक चार्ज, कोणीय गति आदि। केवल ऊर्जा। और द्रव्यमान - लेकिन वे एक दूसरे के साथ जुड़े हुए हैं।

चूँकि लगभग हर चीज परस्पर विलोपित होती है, इसलिए कण और एंटीपार्टिकल चार ज्ञात अंतःक्रियाओं में से एक दूसरे कण और इसके एंटीपार्टिकल में बदल सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक म्यूऑन और एक एंटीमून एक फोटॉन और दूसरा फोटॉन में बदल सकता है (याद रखें, फोटॉन खुद एक एंटीपार्टिकल है)। दोनों फोटॉनों में ऊर्जा होगी - लेकिन कितना? खैर, फोटॉन समान होंगे, और उनकी ऊर्जा समान होगी, और चूंकि यह संग्रहीत है, कुल अंतिम ऊर्जा कुल प्रारंभिक के समान होगी:

$$

$$E_ {फोटॉन} = 1/2 E_ {अंतिम} = 1/2 E_ {प्रारंभिक} = M c ^ 2 = E_ {muon}$$

ध्यान दें कि एक शांत चीज क्या हुई है: हमने बड़े पैमाने पर कणों के साथ शुरुआत की, जिनमें से प्रत्येक गति नहीं करता था, और गति की ऊर्जा के अधिकारी नहीं थे, लेकिन बड़े पैमाने पर ऊर्जा एम ² सी थी। और हम दो बड़े पैमाने पर कणों के साथ समाप्त हो गए, बिना सामूहिक ऊर्जा के, लेकिन मोन्स की सामूहिक ऊर्जा के बराबर गति ऊर्जा के साथ:
एम सी ² । अंजीर देखें। 1।


अंजीर। 1

साथ ही, फोटॉन में दालें होंगी। लेकिन दो फोटॉनों के संवेग को विपरीत रूप से निर्देशित और परस्पर नष्ट कर दिया जाएगा, ताकि कुल गति शून्य हो जाए।

$$

$$p_ {अंतिम} = p_ {प्रारंभिक} = 0$$

ध्यान दें कि ऊर्जा संरक्षित है, गति संरक्षित है, लेकिन द्रव्यमान नहीं है। परिणामी द्रव्यमान शून्य है, हालांकि प्रारंभिक द्रव्यमान 2 एम है।

2. म्यूऑन और एंटीमुअन एक इलेक्ट्रॉन और एक विरोधी इलेक्ट्रॉन में बदल जाते हैं

सरल प्रतिक्रिया:

$$

$$कण_1 + एंटीपार्टिकल_1 \ राइटारो कण_2 + एंटीपार्टिकल_2$$

न केवल एक कण और एंटीपार्टिकल को नष्ट करने के लिए एक संभावित प्रक्रिया, बल्कि बहुत आम है। चलो कण 2 के लिए एक और विकल्प देखें।


अंजीर। 2

दो फोटॉन बनने के बजाय, म्यूऑन और एंटीम्यूऑन एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन (एंटी-इलेक्ट्रॉन) में बदल सकते हैं, जैसे कि अंजीर में। 2. दोनों का द्रव्यमान समान होगा; चलो उसे मी कहते हैं। एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान म्यून एम के द्रव्यमान से लगभग 200 गुना कम है। म्यूऑन और एंटीम्यूऑन फोटॉन या इलेक्ट्रॉन / पॉज़िट्रॉन जोड़ी में बदल जाते हैं, यादृच्छिकता निर्धारित करते हैं, लेकिन क्वांटम यांत्रिकी के समीकरणों द्वारा वर्णित संभावना के साथ।

पहले जैसा ही तर्क हमें उसी निष्कर्ष पर पहुंचाता है। हमारे पास समरूपता, एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन होगा, जिसमें समान द्रव्यमान, समान ऊर्जा और संरक्षण कानून के लिए धन्यवाद, कुल ऊर्जा म्यूऑन की प्रारंभिक ऊर्जा के समान होनी चाहिए।

$$

$$E_ {इलेक्ट्रॉन} = E_ {positron} = 1/2 E_ {अंतिम} = 1/2 E_ {प्रारंभिक} = M c2 = E_ {muon}$$

स्थिति थोड़ी अलग है: हमने बड़े पैमाने पर गतिहीन कणों के साथ शुरू किया, जिसमें गति ऊर्जा नहीं है और द्रव्यमान ऊर्जा एम ² सी है। और हम दो बड़े पैमाने पर कणों के साथ समाप्त हो गए, जिनमें से प्रत्येक में द्रव्यमान mc ² की ऊर्जा और गति की बहुत अधिक ऊर्जा है, और एक इलेक्ट्रॉन की कुल ऊर्जा muon M c ² के द्रव्यमान की ऊर्जा के बराबर है। फिर से, इलेक्ट्रॉन गति को पॉज़िट्रॉन संवेग के साथ परस्पर नष्ट कर दिया जाता है:

$$

$$p_ {अंतिम} = 0$$

बेशक, उनके विद्युत शुल्क परस्पर नष्ट हो जाते हैं। परिवर्तन से पहले बॉक्स में कोई शुल्क नहीं था, इसके बाद कोई नहीं है। ऊर्जा को फिर से संरक्षित किया जाता है, गति को संरक्षण दिया जाता है, चार्ज को संरक्षित किया जाता है, लेकिन द्रव्यमान नहीं होता है। प्रारंभिक द्रव्यमान 2M था और अंतिम द्रव्यमान 2m था।


अंजीर। 3

3. इलेक्ट्रॉन और एंटीलेक्ट्रॉन दो फोटॉन में बदल जाते हैं

एक आराम करने वाला इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन दो फोटॉन में बदल सकता है, जैसे एक म्यूऑन और एक एंटीम्यून। सभी गणनाओं को पूरा किया जा सकता है, समस्या को कम करने के मामले में, केवल एम के साथ हर जगह एम की जगह। कोई अंतर नहीं है (छवि 1 और छवि 3 की तुलना करें)।

4. क्या एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटिइलेक्ट्रॉन एक म्यूऑन और एंटीम्यून में बदल सकते हैं?

नहीं और हाँ। उत्तर प्रश्न पर निर्भर करता है:

• नहीं, अगर इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन शुरू में आराम कर रहे हैं। उनके पास एक म्यूऑन और एंटीमुआन बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं है, इसलिए यह प्रक्रिया नहीं होगी।
• हाँ, यदि इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन में गति की ऊर्जा अधिक है और बहुत दृढ़ता से टकराती है। एक प्रक्रिया तब हो सकती है जब उनके पास पर्याप्त ऊर्जा हो।

सबसे पहले, आइए सुनिश्चित करें कि यदि इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन आराम पर हैं - उनके पास गति की ऊर्जा नहीं है - वे एक म्यूऑन और एंटीम्यून में बदल नहीं पाएंगे। तर्क सरल है - हमें बस पिछली समस्या पर लौटने की जरूरत है, जिसमें म्यूऑन और एंटीम्यूऑन एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन में बदल जाते हैं, और हर जगह म्यूऑन को एक इलेक्ट्रॉन के साथ बदल देते हैं, एंटीम्यून एक पॉज़िट्रॉन के साथ, एम के साथ एम। यह पता चला जाएगा:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {अंतिम} = 1/2 E_ {प्रारंभिक} = m c ^ 2 = E_ {इलेक्ट्रॉन}$$

लेकिन यह असंभव है! म्यूऑन में द्रव्यमान M c ^{2 की} ऊर्जा है, साथ ही गति की सकारात्मक ऊर्जा भी है। म> म। यह एक विरोधाभास निकला:

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 + "गति ऊर्जा" ^ M c ^ 2> m c ^ 2$$

म्यू> ऊर्जा एम ^{2 के} बराबर नहीं हो सकती, जैसा कि एम> एम के बाद से ऊर्जा के संरक्षण के लिए आवश्यक है। यह स्वीकार करना होगा कि यह प्रक्रिया नहीं हो सकती है।


अंजीर। 4

हालांकि, यह ठीक है कि यह प्रयास क्यों काम नहीं करता है, और हमें बताता है कि हम जो चाहते हैं उसे कैसे प्राप्त करें। आराम करने वाले इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन पर विचार करने की आवश्यकता नहीं है। आइए उन्हें गति दें - प्रकाश की गति के लगभग, ताकि उनकी गति की ऊर्जा बहुत बड़ी हो जाए, और कुल ऊर्जा (गति की ऊर्जा और ऊर्जा) लगभग ² एमसी से अधिक है। सरलता के लिए, कल्पना करें कि उनकी प्रारंभिक ऊर्जा एम सी ^{2 के} बराबर हो गई है। तब बॉक्स में कुल प्रारंभिक ऊर्जा 2 एम सी ^{2 होगी} , और प्रक्रिया के लिए जाने के लिए, संरक्षण कानून की आवश्यकता होती है:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {अंतिम} = 1/2 E_ {प्रारंभिक} = M c2 = E_ {इलेक्ट्रॉन}$$

जो पिछले समीकरण की आवश्यकताओं का खंडन नहीं करता है

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 + "गति ऊर्जा" ^ M c ^ 2> m c ^ 2$$

आराम करने वाले म्यूऑन और एंटीमुअन (छवि 5) बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन की ऊर्जा मुश्किल से पर्याप्त है।


अंजीर। 5

यदि हम इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन की ऊर्जा को और अधिक बढ़ाते हैं, तो हम म्यूऑन और एंटीम्यून बना सकते हैं। अतिरिक्त ऊर्जा म्यूऑन और एंटीमोन की गति की ऊर्जा में बदल जाएगी, अंजीर देखें। 6।

ध्यान दें कि द्रव्यमान को फिर से संरक्षित नहीं किया जाता है, हालांकि ऊर्जा संरक्षित है। इस मामले में, द्रव्यमान में वृद्धि हुई, 2m से 2M तक। यह कण भौतिकी के लिए बहुत महत्वपूर्ण है! यह एक मुख्य तकनीक है जिसका उपयोग हम नए कणों की खोज के लिए करते हैं। हम गति की बहुत बड़ी ऊर्जाओं के साथ कण और एंटीपार्टिकल को टकराते हैं, यह उम्मीद करते हैं कि वे पहले एंटीपार्टिकल के साथ मिलकर एक भारी कण में बदल जाएंगे।


अंजीर। 6

परिणाम

• एक स्थिर कण और इसका एंटीपार्टिकल एक कण और एंटीपार्टिकल को जन्म दे सकता है, यदि प्रारंभिक कण अंतिम से भारी है।
• एक स्थिर कण और एंटीपार्टीकल, एक कण और एंटीपार्टिकल को जन्म नहीं दे सकता है यदि अंतिम कण प्रारंभिक से अधिक भारी है।
• एक कण एक दूसरे के सापेक्ष गतिमान होता है और इसका एंटीपार्टिकल काफी भारी ऊर्जा और एंटीपार्टिकल को जन्म दे सकता है यदि उनके पास पर्याप्त गति ऊर्जा है।
• यदि द्रव्यमान ऊर्जा और कण गति ऊर्जा का योग एक भारी कण की सामूहिक ऊर्जा के बराबर है, तो परिणामस्वरूप भारी कण और एंटीपार्टिकल गतिहीन होगा।
• यदि द्रव्यमान की ऊर्जा और कणों की गति की ऊर्जा भारी कण के द्रव्यमान की ऊर्जा से अधिक है, तो अतिरिक्त ऊर्जा भारी कण और एंटीपार्टिकल की गति की ऊर्जा में बदल जाएगी।