Partículas, antipartículas e sua aniquilação

Antipartículas são frequentemente apresentadas mais místicas e misteriosas do que realmente são, e tudo isso graças à ficção científica e outras obras, como " Anjos e Demônios ", de Dan Brown.

Cada tipo de partícula possui uma antipartícula. Geralmente, essa é uma partícula separada, mas acontece que a antipartícula e a partícula são uma e a mesma. Somente partículas que satisfazem certas condições (por exemplo, eletricamente neutras) podem ser antipartículas por conta própria. Uma pequena lista de exemplos de tais partículas são fótons, partículas Z, glúons e gravitons. Talvez três neutrinos. Todas as outras partículas têm antipartículas separadas que têm a mesma massa, mas a carga elétrica oposta. Um nêutron é um exemplo de partícula eletricamente neutra que não é uma antipartícula em si mesma. Como um próton, um nêutron tem mais quarks do que antiquarks, e um antineutron tem mais antiquarks do que quarks.

Para partículas que não sejam antipartículas, os nomes das antipartículas são geralmente bastante óbvios (antiquark superior, antineutrino, antitau), com exceção do antielétron, que geralmente é chamado de pósitron.

Por que a antimatéria é tão famosa, por que soa tão misteriosa? Tudo isso graças à afirmação “matéria e antimatéria se aniquilam em energia pura”. Essa afirmação parece legal, mas não é séria. Não está totalmente errado, mas também não é verdade. A realidade é mais complexa e não é tão surpreendente.

Por simplicidade, os físicos geralmente omitem o prefixo "anti", quando é óbvio no contexto. Exemplos:

• Em muitos processos, o múon e o antimuon aparecem. Os físicos às vezes chamam isso de "par de múons".
• Uma partícula W se decompõe em um quark superior e um antiquark inferior, e costuma-se dizer que se decompõe “em quarks”.

Aniquilação de partículas e antipartículas

A aniquilação de partículas e antipartículas dedica muitos materiais - parece misterioso, assustador e fantástico - mas esses são os principais processos que ocorrem no coração da física de partículas, e essa descrição leva a frequentes mal-entendidos. Quero descrever algumas regras básicas que determinam se uma partícula e antipartícula de um tipo se transformam em outro par de partículas e antipartículas, aproximando-se uma da outra. Esta não é uma história completa de aniquilação de partículas e antipartículas, mas um bom começo.

Em um mundo como o nosso, controlado pela mecânica quântica e pela relatividade de Einstein, existe um teorema matemático: para cada tipo de partícula existe um tipo correspondente de antipartícula com exatamente a mesma massa. Este não é apenas um teorema - para todas as partículas conhecidas, as antipartículas foram obtidas experimentalmente, portanto não há o que discutir.

No entanto, algumas partículas coincidem com antipartículas: a antipartícula de um fóton (partículas de luz) será um fóton. O mesmo será para a partícula Z e a partícula Higgs. Por outro lado, um elétron com carga elétrica negativa (por definição) possui antipartícula, anti-elétron ou pósitron, com carga positiva. Quase todas as partículas conhecidas possuem: um múon tem um antimuon, um quark superior tem um antiquark superior, uma partícula W com uma carga positiva tem uma antipartícula W com uma negativa.

Se você reunir uma partícula e uma antipartícula, quase todas as suas propriedades são mutuamente destruídas. Por exemplo, a carga elétrica de um múon (um primo pesado de um elétron) mais a carga elétrica de um antimuon será zero. O primeiro é negativo, o segundo é positivo, mas eles são iguais em tamanho. A única coisa que não é destruída é sua massa e energia. É verdade que esta afirmação é um pequeno truque. A massa não é "conservada" - pode aparecer e desaparecer , o que é muito bom para a física de partículas. A única coisa que não vai a lugar algum é energia. A energia é economizada: com a qual você começou, com isso você terminará.

1. Muon e antimuon se transformam em dois fótons

Suponha que eu tenha uma caixa de sapatos na qual não haja nada além do múon e do antimônio que estão praticamente em repouso. Então a energia dentro da caixa é igual à energia da massa do múon e a energia da massa do antimuon. [“Praticamente” - porque omito o campo elétrico entre o múon e o antimuon, mas esse é um efeito muito pequeno que pode ser ignorado em nosso caso.] Suponha que a massa do múon seja M, então a energia da massa do múon será M c ² , e a mesma será verdadeiro para antimuon. O momento das duas partículas será zero, porque elas não se movem. A energia total E e o momento p na caixa são inicialmente

$$

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

Todo o resto da caixa é zero: a carga elétrica total, momento angular, etc. Apenas energia. E a massa - mas eles estão conectados um ao outro.

Como quase tudo é aniquilado mutuamente, a partícula e a antipartícula podem se transformar através de uma das quatro interações conhecidas em outra partícula e sua antipartícula. Por exemplo, um múon e um antimuon podem se transformar em um fóton e um segundo fóton (lembre-se, o próprio fóton é uma antipartícula). Ambos os fótons terão energia - mas quanto? Bem, os fótons serão os mesmos e terão a mesma energia e, uma vez que é armazenado, a energia final total será a mesma que a inicial total:

$$

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

Preste atenção ao que aconteceu de interessante: começamos com partículas maciças, cada uma das quais não se movia e não possuía energia de movimento, mas possuía energia de massa M c ² . E acabamos com duas partículas sem massa, sem energia de massa, mas com uma energia de movimento igual à energia de massa dos múons:
Mc ² . Veja a fig. 1


Fig. 1

Além disso, os fótons terão pulsos. Mas o momento dos dois fótons será dirigido de maneira oposta e destruído mutuamente, de modo que o momento total será zero.

$$

$$p_ {final} = p_ {inicial} = 0$$

Observe que a energia é conservada, o momento é conservado, mas a massa não é. A massa resultante é zero, embora a massa inicial seja 2 M.

2. O múon e o antimônio se transformam em elétron e anti-elétron

Reação simples:

$$

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

não apenas um processo possível para aniquilar uma partícula e antipartícula, mas também muito comum. Vejamos outra opção para a partícula 2.


Fig. 2

Em vez de se tornarem dois fótons, o múon e o antimuon podem se transformar em um elétron e um pósitron (anti-elétron), como na Fig. 2. Ambos terão a mesma massa; vamos chamá-la de m. A massa de um elétron é cerca de 200 vezes menor que a massa do múon M. O que o múon e o antimuon se transformam em fótons ou um par elétron / pósitron determina a aleatoriedade, mas com a probabilidade descrita pelas equações da mecânica quântica.

A mesma lógica de antes nos leva à mesma conclusão. Teremos simetria, um elétron e um pósitron, com a mesma massa, a mesma energia e, graças à lei de conservação, a energia total deve ser a mesma que a energia inicial do múon.

$$

$$E_ {elétron} = E_ {positron} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {inicial} = M c2 = E_ {muon}$$

A situação é um pouco diferente: começamos com partículas imóveis imensas que não têm energia de movimento e têm energia de massa M c ² . E terminamos com duas partículas massivas, cada uma com uma energia de massa mc ² e muita energia de movimento, e a energia total de um elétron é igual à energia da massa do múon M c ² . Novamente, o momento do elétron é mutuamente destruído com o momento do pósitron:

$$

$$p_ {final} = 0$$

Obviamente, suas cargas elétricas são mutuamente destruídas. Não havia cobrança na caixa antes da transformação, não há cobrança depois. A energia é novamente conservada, o momento é conservado, a carga é conservada, mas a massa não é. A massa inicial era 2M e a massa final era 2m.


Fig. 3

3. Elétron e antielétron se transformam em dois fótons

Um elétron em repouso e um pósitron podem se transformar em dois fótons, assim como um múon e um antimônio. Todos os cálculos podem ser realizados, reduzindo o problema ao caso dos múons, simplesmente substituindo M em todos os lugares por m. Não há diferença (compare as figuras 1 e 3).

4. Um elétron e um antielétron podem se transformar em múon e antimônio?

Não e sim. A resposta depende da pergunta:

• Não, se o elétron e o pósitron estiverem inicialmente em repouso. Eles não têm energia suficiente para criar um múon e um antimuon, portanto esse processo não acontecerá.
• Sim, se o elétron e o pósitron tiverem altas energias de movimento e colidirem com muita força. Um processo pode acontecer enquanto eles têm energia suficiente.

Primeiro, vamos garantir que, se o elétron e o pósitron estiverem em repouso - eles não têm energia de movimento - eles não serão capazes de se transformar em múon e antimônio. A lógica é simples - basta retornar ao problema anterior, no qual o múon e o antimônio se transformaram em elétron e pósitron e, em toda parte, substituem o múon por um elétron, o antimônio com um pósitron, M com m. Acontecerá:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {inicial} = m c ^ 2 = E_ {elétron}$$

Mas isso é impossível! O múon tem uma energia de massa M c ² , mais energia positiva de movimento. M> m. Acontece uma contradição:

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 + "energia de movimento" ≥ M c ^ 2> m c ^ 2$$

A energia do múon não pode ser igual a mc ² , conforme exigido pela conservação de energia, uma vez que M> m. É preciso admitir que esse processo não pode acontecer.


Fig. 4

No entanto, é precisamente por que essa tentativa não funciona e nos diz como alcançar o que queremos. Não é necessário considerar o elétron em repouso e o pósitron. Vamos acelerá-los - quase até a velocidade da luz, de modo que sua energia de movimento se torne muito grande e a energia total (energia de massa e energia de movimento) seja visivelmente maior que mc ² . Por uma questão de simplicidade, imagine que a energia inicial se torne igual a M c ² . Então a energia inicial total na caixa será 2 M c ² e, para que o processo prossiga, a lei de conservação exige:

$$

$$E_ {muon} = E_ {antimuon} = 1/2 E_ {final} = 1/2 E_ {inicial} = M c2 = E_ {elétron}$$

O que não contradiz os requisitos da equação anterior

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 + "energia de movimento" ≥ M c ^ 2> m c ^ 2$$

A energia do elétron e do pósitron mal é suficiente para criar o múon e o antimuon em repouso (Fig. 5).


Fig. 5

Se aumentarmos ainda mais a energia do elétron e do pósitron, podemos criar o múon e o antimuon. O excesso de energia se transformará na energia de movimento do múon e do antimuon, veja a Fig. 6

Observe que a massa não é conservada novamente, embora a energia seja conservada. Nesse caso, a massa aumentou de 2m para 2M. Isso é muito importante para a física de partículas! Essa é uma das principais técnicas que usamos para descobrir novas partículas. Colidimos a partícula e a antipartícula com energias de movimento muito grandes, esperando que elas se transformem em uma partícula pesada, sem precedentes, junto com sua antipartícula.


Fig. 6

Sumário

• Uma partícula estacionária e sua antipartícula podem aniquilar, dando origem a uma partícula e antipartícula, se a partícula inicial for mais pesada que a final.
• Uma partícula estacionária e antipartícula não podem aniquilar, dando origem a uma partícula e antipartícula se a partícula final for mais pesada que a inicial.
• Uma partícula se movendo uma em relação à outra e sua antipartícula pode aniquilar, dando origem a uma partícula e antipartícula mais pesadas se elas tiverem energia de movimento suficiente.
• Se a soma da energia de massa e da energia de movimento das partículas for igual à energia de massa de uma partícula mais pesada, as partículas pesadas e a antipartícula resultantes ficarão imóveis.
• Se a soma da energia da massa e a energia do movimento da partícula for maior que a energia da massa da partícula mais pesada, o excesso de energia se transformará na energia do movimento das partículas e antipartículas mais pesadas.