Tanya Ethan: Apa perbedaan antimateri dengan materi?

Tabrakan partikel berenergi tinggi dapat menyebabkan munculnya partikel / pasangan antipartikel atau foton, dan penghancuran pasangan partikel / antipartikel juga menyebabkan munculnya foton, karena jejak ini ditunjukkan dalam ruang gelembung. Tetapi apa yang menentukan kepemilikan partikel pada materi atau antimateri?

Setiap partikel materi yang diketahui di Alam Semesta memiliki antimaterial ganda. Antimateri memiliki banyak sifat yang mirip dengan materi normal, termasuk jenis interaksi, massa, besarnya muatan listrik, dan sebagainya. Tetapi ada beberapa perbedaan mendasar. Namun, dua hal tentang interaksi partikel-partikel materi dan antimateri dapat dikatakan dengan pasti: jika Anda bertabrakan dengan partikel ganda dari antimateri, mereka langsung memusnahkan, berubah menjadi energi, dan dalam setiap interaksi yang menciptakan partikel materi, kembarannya dari antimateri akan muncul. Jadi apa yang membuat antimateri spesial? Inilah yang ingin diketahui oleh pembaca kami, yang bertanya:

Apa perbedaan antara materi dan antimateri pada tingkat fundamental? Apakah ada properti internal yang menyebabkan partikel menjadi materi atau antimateri? Apakah ada semacam properti internal (seperti spin) yang membedakan quark dan antiquarks? Apa yang memberi awalan antimateri "anti"?

Untuk memahami jawaban atas pertanyaan, Anda perlu melihat partikel yang ada (dan antipartikel).


Partikel dan antipartikel dari Model Standar mematuhi semua jenis hukum konservasi, tetapi ada perbedaan mendasar antara fermion dan boson.

Ini adalah Model Standar partikel elementer: satu set lengkap partikel terbuka di Alam Semesta yang diketahui. Mereka biasanya dibagi menjadi dua kelas: boson dengan bilangan bulat integer (..., -2, -1, 0, +1, +2, ...), yang bukan milik materi atau antimateri, dan fermion dengan spin setengah bilangan bulat (..., -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, ...), wajib jatuh ke dalam salah satu dari dua kategori: materi atau antimateri. Setiap partikel yang hanya ingin Anda buat akan memiliki banyak sifat bawaan yang didefinisikan oleh apa yang kita sebut bilangan kuantum . Dalam partikel yang terpisah dan terisolasi, ini akan menjadi properti yang akrab bagi Anda, dan beberapa properti yang mungkin menjadi asing bagi Anda.


Konfigurasi yang mungkin dari sebuah elektron dalam atom hidrogen secara mengejutkan berbeda satu sama lain, namun semuanya mewakili partikel yang sama dalam keadaan kuantum yang sedikit berbeda. Partikel dan antipartikel juga memiliki bilangan kuantumnya sendiri yang tidak berubah yang melekat di dalamnya, dan mereka memainkan peran utama dalam menentukan apakah suatu partikel termasuk materi, antimateri, atau tidak termasuk kategori mana pun.

Dari yang sederhana, orang dapat mengingat muatan massa dan listrik. Sebagai contoh, massa sisa elektron adalah 9,11 × 10 ^-31 kg, dan muatannya adalah -1,6 x 10 ^-19 C. Selain itu, elektron dapat berikatan dengan proton, yang menghasilkan atom hidrogen dengan satu set garis spektral dan garis emisi / serapan, tergantung pada interaksi elektromagnetiknya. Perputaran elektron adalah +1/2 atau -1/2, angka lepton adalah +1, jumlah keluarga lepton adalah +1 untuk yang pertama dari tiga keluarga lepton (electron, mu, tau) lepton (untuk kesederhanaan kita menghilangkan angka seperti isospin lemah atau hipercharge lemah) )

Mengingat sifat-sifat elektron ini, seseorang dapat mengajukan pertanyaan - seperti apa seharusnya partikel ganda elektron dari antimateri didasarkan pada aturan yang mengatur partikel elementer.


Dalam atom hidrogen sederhana, satu elektron mengorbit di sekitar satu proton. Dalam atom antihidrogen, satu positron bergerak di sekitar satu antiproton. Positron dan antiproton masing-masing kembar dalam antimateri untuk elektron dan proton.

Nilai semua bilangan kuantum harus dipertahankan. Tetapi dalam antipartikel, tanda-tanda angka-angka ini harus dibalik. Untuk anti-elektron, ini berarti ia harus memiliki bilangan kuantum berikut:

• massa istirahat 9,11 × 10 ^-31 kg,
• muatan listrik 1,6 x 10 ^-19 C,
• spin -1/2 atau +1/2,
• nomor lepton -1,
• jumlah keluarga lepton adalah -1.

Ketika Anda mengasosiasikannya dengan antiproton, ia harus menghasilkan rangkaian garis spektral dan garis serapan / emisi yang persis sama dengan yang diperlihatkan sistem elektron / proton.


Transisi elektronik dalam atom hidrogen dan panjang gelombang dari foton yang dihasilkan menunjukkan efek energi pengikat dan interaksi antara elektron dan proton dalam fisika kuantum. Identitas garis spektral dalam positron dan antiproton dikonfirmasi.

Semua fakta ini telah dikonfirmasi secara eksperimental. Sebuah partikel yang persis cocok dengan deskripsi anti-elektron dikenal sebagai positron. Ini diperlukan ketika Anda mempertimbangkan bagaimana kami menciptakan materi dan antimateri: biasanya kami membuatnya dari ketiadaan. Yaitu, jika dua partikel bertabrakan dengan energi yang cukup tinggi, seringkali dimungkinkan untuk memperoleh pasangan partikel / antipartikel tambahan dari energi berlebih (dari Einstein E = mc ² ), menurut hukum konservasi.


Saat berhadapan dengan partikel dengan anti partikel, kita bisa berharap mereka memusnahkan, berubah menjadi energi. Dan dari sini dapat disimpulkan bahwa bertabrakan dua partikel dengan energi yang cukup tinggi, Anda dapat membuat pasangan partikel / anti partikel

Tetapi bukan hanya energi yang harus dilestarikan; masih ada segunung nomor bilangan kuantum yang juga harus dilestarikan! Ini termasuk:

• muatan listrik
• momentum sudut (kombinasi putaran dan momentum sudut orbital; untuk partikel individu itu hanya putaran),
• nomor lepton
• nomor baryon
• nomor keluarga lepton,
• biaya warna.

Dan dari semua sifat internal ini, dua menentukan keanggotaan dalam materi dan antimateri - angka baryon dan angka lepton.


Di alam semesta awal ada sangat banyak dari semua partikel dan antipartikel mereka, tetapi ketika didinginkan, sebagian besar partikel dimusnahkan. Semua hal biasa kita telah muncul dari quark dan lepton, dengan angka baryon dan lepton yang positif, melebihi jumlah ganda, antiquark dan antilepton mereka.

Jika salah satu dari angka-angka ini adalah positif, maka partikel itu milik materi biasa. Oleh karena itu, quark (dengan nomor baryon +1/3), elektron, muon, tau, neutrino (dengan nomor lepton +1) milik materi, dan antiquark, positron, antimuon, antitau, antineutrino - ke antimateri. Ini semua adalah fermion dan antifermion, dan setiap fermion adalah partikel materi, dan antifermion adalah partikel antimateri.


Partikel dari Model Standar dengan massa di MeV / s ² ditunjukkan di sudut kiri atas. Tiga kolom kiri adalah fermion, dua kolom kanan adalah boson. Dan meskipun semua partikel memiliki antipartikel sendiri, hanya fermion milik materi atau antimateri.

Tapi ada juga boson. Ada gluon yang antipartikelnya adalah gluon dengan kombinasi warna yang berlawanan; ada W ⁺ dengan antipartikel W ^- (dengan muatan listrik yang berlawanan); ada Z0, boson Higgs, dan sebuah foton, antipartikel tempat mereka berada. Namun, boson tidak terkait dengan materi atau antimateri. Tanpa nomor lepton atau baryon, partikel-partikel ini dapat memiliki muatan listrik, muatan warna, putaran, dll. - tetapi tidak ada yang bisa menyebut mereka "materi" atau "antimateri". Dalam hal ini, boson hanya boson, dan jika mereka tidak memiliki muatan, maka mereka adalah antipartikel mereka sendiri.


Pada semua skala Semesta, dari wilayah kita hingga ruang antarbintang, dari galaksi individu hingga kelompok dan filamen dan jaring kosmik yang hebat, segala sesuatu yang kita amati tampaknya kita terdiri dari materi biasa, tetapi bukan antimateri. Teka-teki ini masih belum terpecahkan.

Jadi apa yang memberi awalan “anti” ke antimateri? Jika kita mengambil partikel terpisah, maka antipartikelnya akan memiliki massa yang sama, dan semua bilangan kuantum yang sama dengan tanda yang berlawanan: itu adalah partikel yang dapat memusnahkan dari yang pertama dan berubah menjadi energi. Tetapi untuk menjadi materi, partikel harus memiliki angka baryon atau lepton yang positif. Untuk menjadi antimateri, Anda harus memiliki nomor baryon atau lepton negatif. Selain itu, di Alam Semesta kita tidak ada alasan mendasar mengapa materi lebih unggul daripada antimateri; kami masih tidak tahu bagaimana kesimetrian ini rusak (walaupun kami punya ide). Jika semuanya berjalan berbeda, kita mungkin akan menyebut segala sesuatu yang kita terbuat dari "materi" dan sisanya "antimateri", tetapi nama-nama ini diberikan secara sewenang-wenang. Seperti biasa, alam semesta ada di pihak mereka yang selamat.