Partikel, antipartikel dan penghancurannya

Antipartikel sering disajikan lebih mistis dan misterius daripada yang sebenarnya, dan semua ini berkat fiksi ilmiah dan karya-karya lain, seperti Dan Brown's " Angels and Demons ".

Setiap jenis partikel memiliki antipartikel. Biasanya ini adalah partikel yang terpisah, tetapi kebetulan antipartikel dan partikelnya satu dan sama. Hanya partikel yang memenuhi kondisi tertentu (misalnya, netral listrik) yang dapat menjadi antipartikel dengan sendirinya. Daftar kecil contoh partikel tersebut adalah foton, partikel Z, gluon, dan graviton. Mungkin tiga neutrino. Semua partikel lain memiliki antipartikel terpisah yang memiliki massa yang sama tetapi muatan listriknya berlawanan. Neutron adalah contoh partikel netral elektrik yang bukan antipartikel itu sendiri. Seperti proton, neutron memiliki lebih banyak quark daripada antiquark, dan antineutron memiliki lebih banyak quark daripada quark.

Untuk partikel yang berbeda dari antipartikel, nama antipartikel biasanya cukup jelas (antiquark atas, antineutrino, antitau), dengan pengecualian antielektron, yang biasanya disebut positron.

Apa antimateri yang begitu terkenal, mengapa itu terdengar begitu misterius? Semua ini berkat pernyataan "materi dan antimateri musnah menjadi energi murni". Pernyataan ini terdengar keren, tetapi tidak serius. Itu tidak sepenuhnya salah, tetapi juga tidak benar. Kenyataannya lebih kompleks dan tidak terlalu mengejutkan.

Untuk kesederhanaan, fisikawan sering menghilangkan awalan "anti," ketika itu jelas dari konteksnya. Contoh:

• Dalam banyak proses, muon dan antimuon muncul. Fisikawan kadang-kadang menyebut ini "pasangan muon."
• Partikel-W meluruh menjadi quark atas dan antiquark rendah, dan sering dikatakan bahwa itu meluruh “menjadi quark”.

Penghancuran partikel dan antipartikel

Penghancuran partikel dan antipartikel mencurahkan banyak bahan - kedengarannya misterius, menakutkan dan fantastis - tetapi ini adalah proses utama yang terjadi di jantung fisika partikel, dan deskripsi semacam itu menyebabkan sering terjadi kesalahpahaman. Saya ingin menjelaskan beberapa aturan dasar yang menentukan apakah suatu partikel dan antipartikel dari satu jenis berubah menjadi pasangan partikel dan antipartikel lain, yang saling mendekati. Ini bukan sejarah lengkap penghancuran partikel dan anti partikel, tapi awal yang baik.

Di dunia seperti kita, dikendalikan oleh mekanika kuantum dan relativitas Einstein, ada teorema matematika: untuk setiap jenis partikel ada jenis antipartikel yang sesuai dengan massa yang persis sama. Ini bukan hanya teorema - untuk semua partikel yang diketahui, antipartikel diperoleh secara eksperimental, jadi tidak ada yang perlu diperdebatkan.

Namun, beberapa partikel bertepatan dengan antipartikel: antipartikel untuk foton (partikel cahaya) akan menjadi foton. Hal yang sama akan berlaku untuk partikel Z dan partikel Higgs. Di sisi lain, sebuah elektron dengan muatan listrik negatif (menurut definisi) memiliki antipartikel, anti-elektron atau positron, dengan muatan positif. Hampir semua partikel yang dikenal memiliki ini: muon memiliki antimuon, quark atas memiliki antiquark atas, sebuah partikel W dengan muatan positif memiliki antipartikel W dengan yang negatif.

Jika Anda menyatukan partikel dan antipartikel, hampir semua propertinya hancur bersama. Sebagai contoh, muatan listrik muon (sepupu elektron yang berat) ditambah muatan listrik antimuon akan menjadi nol. Yang pertama adalah negatif, yang kedua adalah positif, tetapi mereka memiliki ukuran yang sama. Satu-satunya hal yang tidak dihancurkan adalah massa dan energi mereka. Benar, pernyataan ini sedikit tipuan. Massa tidak "dilestarikan" - ia dapat muncul dan menghilang , yang sangat baik untuk fisika partikel. Satu-satunya hal yang tidak akan kemana-mana adalah energi. Energi disimpan: dengan mana Anda memulai, dengan ini Anda akan berakhir.

1. Muon dan antimuon berubah menjadi dua foton

Misalkan saya memiliki kotak sepatu di mana tidak ada yang lain selain muon dan antimuon yang praktis diam. Kemudian energi di dalam kotak sama dengan energi massa muon dan energi massa antimuon. ["Praktis" - karena saya menghilangkan medan listrik antara muon dan antimuon, tetapi ini adalah efek yang sangat kecil yang dapat diabaikan dalam kasus kami.] Misalkan massa muon adalah M, maka energi massa muon akan menjadi M c ² , dan hal yang sama akan menjadi berlaku untuk antimuon. Momen kedua partikel akan menjadi nol, karena mereka tidak bergerak. Energi total E dan momentum p dalam kotak awalnya

$$

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

Segala sesuatu yang lain di dalam kotak adalah nol: muatan listrik total, momentum sudut, dll. Hanya energi. Dan massa - tetapi mereka terhubung satu sama lain.

Karena hampir semuanya saling dimusnahkan, partikel dan antipartikel dapat berubah melalui salah satu dari empat interaksi yang diketahui menjadi partikel lain dan antipartikelnya. Misalnya, muon dan antimuon dapat berubah menjadi foton dan foton kedua (ingat, foton itu sendiri merupakan antipartikel). Kedua foton akan memiliki energi - tetapi berapa banyak? Nah, foton akan sama, dan mereka akan memiliki energi yang sama, dan karena disimpan, total energi final akan sama dengan total awal:

$$

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

Perhatikan apa yang baru saja terjadi: kita mulai dengan partikel masif, yang masing-masing tidak bergerak, dan tidak memiliki energi gerak, tetapi memiliki energi massa M c ² . Dan kami berakhir dengan dua partikel tanpa massa, tanpa energi massa, tetapi dengan energi gerak yang sama dengan energi massa muon:
M c ² . Lihat gbr. 1.


Fig. 1

Juga, foton akan memiliki pulsa. Tetapi momentum kedua foton akan diarahkan dan dihancurkan satu sama lain, sehingga total momentum akan menjadi nol.

$$

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

Perhatikan bahwa energi dilestarikan, momentum dilestarikan, tetapi massa tidak. Massa yang dihasilkan adalah nol, meskipun massa awal adalah 2 M.

2. Muon dan antimuon berubah menjadi elektron dan anti-elektron

Reaksi sederhana:

$$

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

tidak hanya proses yang memungkinkan untuk memusnahkan partikel dan anti partikel, tetapi juga sangat umum. Mari kita lihat opsi lain untuk partikel 2.


Fig. 2

Alih-alih menjadi dua foton, muon dan antimuon dapat berubah menjadi elektron dan positron (anti-elektron), seperti pada Gambar. 2. Keduanya akan memiliki massa yang sama; sebut saja dia m. Massa elektron adalah sekitar 200 kali lebih kecil dari massa muon M. Apa yang diubah oleh muon dan antimuon menjadi foton atau pasangan elektron / positron menentukan keacakan, tetapi dengan probabilitas yang dijelaskan oleh persamaan mekanika kuantum.

Logika yang sama seperti sebelumnya menuntun kita ke kesimpulan yang sama. Kita akan memiliki simetri, elektron dan positron, dengan massa yang sama, energi yang sama, dan berkat hukum konservasi, energi total harus sama dengan energi awal muon.

$$

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

Situasinya sedikit berbeda: kami mulai dengan partikel besar yang tidak bergerak yang tidak memiliki energi gerak dan memiliki energi massa Mc2. Dan kami selesai dengan dua partikel masif, yang masing-masing memiliki energi massa mc ² dan banyak energi gerak, dan energi total elektron sama dengan energi massa muon Mc2. Sekali lagi, momentum elektron dihancurkan bersama dengan momentum positron:

$$

$$p_ {final} = 0$$

Tentu saja, muatan listrik mereka saling dihancurkan. Tidak ada biaya di dalam kotak sebelum transformasi, tidak ada setelah. Sekali lagi energi dilestarikan, momentum dilestarikan, muatan dilestarikan, tetapi massa tidak. Massa awal adalah 2M dan massa akhir adalah 2m.


Fig. 3

3. Elektron dan antielektron berubah menjadi dua foton

Elektron yang beristirahat dan positron dapat berubah menjadi dua foton, seperti muon dan antimuon. Semua perhitungan dapat dilakukan, mengurangi masalah untuk kasus muon, cukup mengganti M di mana saja dengan m. Tidak ada perbedaan (bandingkan Gambar. 1 dan Gambar. 3).

4. Bisakah sebuah elektron dan antielektron berubah menjadi muon dan antimuon?

Tidak dan ya. Jawabannya tergantung pada pertanyaan:

• Tidak, jika elektron dan positron pada awalnya diam. Mereka tidak memiliki energi yang cukup untuk membuat muon dan antimuon, sehingga proses ini tidak akan terjadi.
• Ya, jika elektron dan positron memiliki energi gerak yang tinggi dan bertabrakan dengan sangat kuat. Suatu proses dapat terjadi ketika mereka memiliki energi yang cukup.

Pertama, mari kita pastikan bahwa jika elektron dan positron dalam keadaan diam - mereka tidak memiliki energi gerak - mereka tidak akan dapat berubah menjadi muon dan antimuon. Logikanya sederhana - kita hanya perlu kembali ke masalah sebelumnya, di mana muon dan antimuon berubah menjadi elektron dan positron, dan di mana-mana mengganti muon dengan elektron, antimuon dengan positron, M dengan m. Itu akan berubah:

$$

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

Tapi ini tidak mungkin! Muon memiliki energi massa Mc2, ditambah energi gerak positif. M> m. Ternyata kontradiksi:

$$

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

Energi muon tidak bisa sama dengan mc ² , seperti yang disyaratkan oleh konservasi energi, karena M> m. Kita harus mengakui bahwa proses ini tidak dapat terjadi.


Fig. 4

Namun, justru itulah mengapa upaya ini tidak berhasil, dan memberi tahu kita cara mencapai apa yang kita inginkan. Tidak perlu mempertimbangkan elektron dan positron yang sedang beristirahat. Mari kita mempercepat mereka - hampir dengan kecepatan cahaya, sehingga energi gerak mereka menjadi sangat besar, dan energi total (energi massa dan energi gerak) terasa lebih besar daripada mc ² . Untuk kesederhanaan, bayangkan energi awal mereka menjadi sama dengan M c ² . Maka total energi awal dalam kotak akan menjadi 2 M c ² , dan agar proses dapat berjalan, hukum konservasi mensyaratkan:

$$

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

Yang tidak bertentangan dengan persyaratan persamaan sebelumnya

$$

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

Energi elektron dan positron hampir tidak cukup untuk membuat muon dan antimuon yang beristirahat (Gbr. 5).


Fig. 5

Jika kita membuat energi elektron dan positron semakin besar, kita dapat membuat muon dan antimuon. Energi berlebih akan berubah menjadi energi gerak muon dan antimuon, lihat Gambar. 6.

Perhatikan bahwa massa tidak dilestarikan lagi, meskipun energi dilestarikan. Dalam hal ini, massa meningkat, dari 2m menjadi 2M. Ini sangat penting untuk fisika partikel! Ini adalah salah satu teknik utama yang kami gunakan untuk menemukan partikel baru. Kami menabrak partikel dan antipartikel dengan energi gerak yang sangat besar, berharap bahwa mereka akan berubah menjadi partikel yang berat, belum pernah terjadi sebelumnya, bersama dengan antipartikelnya.


Fig. 6

Ringkasan

• Partikel stasioner dan antipartikelnya dapat memusnahkan, sehingga memunculkan partikel dan antipartikel, jika partikel awal lebih berat daripada yang terakhir.
• Partikel stasioner dan antipartikel tidak dapat memusnahkan, sehingga menimbulkan partikel dan antipartikel jika partikel akhir lebih berat daripada yang awal.
• Sebuah partikel yang bergerak relatif satu sama lain dan antipartikelnya dapat dimusnahkan, sehingga menimbulkan partikel yang lebih berat dan antipartikel jika mereka memiliki energi gerak yang cukup.
• Jika jumlah energi massa dan energi gerak partikel sama dengan energi massa partikel yang lebih berat, maka partikel berat dan antipartikel yang dihasilkan akan tidak bergerak.
• Jika jumlah energi massa dan energi gerak partikel lebih besar dari energi massa partikel yang lebih berat, maka energi berlebih akan berubah menjadi energi gerak partikel dan antipartikel yang lebih berat.