Pergunte a Ethan: Como a antimatéria é fundamentalmente diferente da matéria?

Colisões de partículas de alta energia podem levar ao aparecimento de pares de partículas / antipartículas ou fótons, e a aniquilação de pares de partículas / antipartículas também leva ao aparecimento de fótons, como esses traços aparecem em uma câmara de bolhas. Mas o que determina a pertença de uma partícula à matéria ou antimatéria?

Toda partícula de matéria conhecida no Universo tem um duplo antimaterial. A antimatéria possui muitas propriedades semelhantes às da matéria normal, incluindo tipos de interações, massa, magnitude da carga elétrica e assim por diante. Mas existem várias diferenças fundamentais. No entanto, duas coisas sobre a interação de partículas de matéria e antimatéria podem ser ditas com certeza: se você colidir uma partícula de matéria com seu dobro da antimatéria, elas aniquilarão instantaneamente, transformando-se em energia, e em qualquer interação que crie uma partícula de matéria, seu gêmeo da antimatéria necessariamente surgirá. Então, o que torna a antimatéria especial? É exatamente isso que nosso leitor deseja saber, quem pergunta:

Quais são as diferenças entre matéria e antimatéria em um nível fundamental? Existe alguma propriedade interna que faz com que uma partícula se torne matéria ou antimatéria? Existe algum tipo de propriedade interna (como spin) que distingue quarks e antiquarks? O que dá o prefixo "anti" antimatéria?

Para entender a resposta à pergunta, você precisa examinar as partículas existentes (e antipartículas).


Partículas e antipartículas do Modelo Padrão obedecem a todos os tipos de leis de conservação, mas existem diferenças fundamentais entre férmions e bósons

Este é o modelo padrão de partículas elementares: um conjunto completo de partículas abertas no universo conhecido. Eles geralmente são divididos em duas classes: bósons com giros inteiros (..., -2, -1, 0, +1, +2, ...), que não pertencem à matéria ou antimatéria, e férmions com giros meio inteiros (..., -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, ...), obrigados a se enquadrar em uma de duas categorias: matéria ou antimatéria. Qualquer partícula que você apenas queira criar terá muitas propriedades inerentes definidas pelo que chamamos de números quânticos . Em uma partícula isolada e separada, essas propriedades são familiares para você e várias propriedades que podem lhe parecer desconhecidas.


As possíveis configurações do elétron no átomo de hidrogênio são notavelmente diferentes umas das outras e, no entanto, todas representam a mesma partícula em estados quânticos ligeiramente diferentes. Partículas e antipartículas também têm seus próprios números quânticos imutáveis, inerentes a elas, e desempenham um papel importante na determinação de se uma partícula pertence à matéria, à antimatéria ou a nenhuma das categorias.

Dos mais simples, pode-se lembrar massa e carga elétrica. Por exemplo, a massa restante de um elétron é 9,11 × ^10-31 kg e sua carga é -1,6 x 10 ^-19 C. Além disso, os elétrons podem se ligar aos prótons, o que fornece um átomo de hidrogênio com um conjunto de linhas espectrais e linhas de emissão / absorção, dependendo de sua interação eletromagnética. O spin de elétrons é +1/2 ou -1/2, o número de lepton é +1, o número da família lepton é +1 na primeira das três famílias de elétrons (elétron, mu, tau) (por simplicidade, omitimos números como isospin fraco ou hipercarga fraca) )

Dadas essas propriedades de um elétron, pode-se fazer uma pergunta - como deve parecer uma partícula dupla de um elétron da antimatéria com base nas regras que governam as partículas elementares.


Em um átomo de hidrogênio simples, um único elétron orbita em torno de um único próton. Em um átomo de anti-hidrogênio, um pósitron se move em torno de um anti-próton. Positrons e antiprótons são gêmeos na antimatéria para elétrons e prótons, respectivamente.

Os valores de todos os números quânticos devem ser preservados. Mas nas antipartículas, os sinais desses números devem ser revertidos. Para um anti-elétron, isso significa que ele deve ter os seguintes números quânticos:

• massa em repouso 9,11 × ^10-31 kg,
• carga elétrica 1,6 x 10 ^-19 C,
• girar -1/2 ou +1/2,
• lepton número -1,
• o número da família lepton é -1.

Quando você o associa a um antipróton, ele deve gerar exatamente a mesma série de linhas espectrais e linhas de absorção / emissão que o sistema elétron / próton demonstra.


As transições eletrônicas em um átomo de hidrogênio e os comprimentos de onda dos fótons resultantes demonstram o efeito da energia de ligação e a interação entre um elétron e um próton na física quântica. A identidade das linhas espectrais nos pósitrons e antiprótons é confirmada.

Todos esses fatos foram confirmados experimentalmente. Uma partícula que corresponde exatamente à descrição de um anti-elétron é conhecida como pósitron. Isso é necessário quando você considera como criamos matéria e antimatéria: geralmente as criamos do nada. Ou seja, se duas partículas colidem com energias suficientemente altas, geralmente é possível obter um par de partícula / antipartícula adicional por excesso de energia (de E = mc ² de Einstein), de acordo com a lei de conservação.


Ao confrontar uma partícula com uma antipartícula, podemos esperar que ela se aniquile, se transformando em energia. E daí resulta que, ao colidir duas partículas com uma energia suficientemente alta, você pode criar um par partícula / antipartícula

Mas não apenas a energia deve ser conservada; ainda existe uma montanha inteira de números quânticos que também precisam ser preservados! Estes incluem:

• carga elétrica
• momento angular (uma combinação de rotação e momento angular orbital; para partículas individuais é apenas uma rotação),
• número lepton
• número de barion
• número da família lepton,
• carga de cor.

E de todas essas propriedades internas, duas determinam a participação na matéria e na antimatéria - o número do barião e o número de lepton.


No início do universo, havia extremamente muitas de todas as partículas e suas antipartículas, mas, à medida que esfriava, a maioria das partículas se aniquilava. Toda a nossa matéria comum surgiu de quarks e leptons, com números positivos de barion e lepton, excedendo o número de seus gêmeos, antiquarques e antileptons.

Se qualquer um desses números for positivo, a partícula pertence à matéria comum. Portanto, quarks (com um número de barion +1/3), elétrons, múons, tau, neutrinos (com um número de lepton +1) pertencem à matéria e antiquarques, pósitrons, antimuons, antitau, antineutrino - antimatéria. Estes são todos os férmions e antifermions, e cada férmion é uma partícula de matéria, e antifermion é uma partícula de antimatéria.


Partículas do modelo padrão com massas em MeV / s ² indicadas nos cantos superiores esquerdos. As três colunas da esquerda são férmions, as duas colunas da direita são bósons. E embora todas as partículas tenham sua própria antipartícula, apenas os férmions pertencem à matéria ou antimatéria.

Mas também há bósons. Existem glúons cujas antipartículas são glúons com combinações de cores opostas; existe W ⁺ com a antipartícula W ^- (com a carga elétrica oposta); há Z ⁰ , o bóson de Higgs, e um fóton, cujas antipartículas são elas mesmas. No entanto, os bósons não estão relacionados à matéria nem à antimatéria. Sem números de lepton ou barion, essas partículas podem ter carga elétrica, carga de cor, rotação, etc. - mas ninguém pode chamá-los de "matéria" ou "antimatéria". Nesse caso, os bósons são apenas bósons e, se não têm carga, são suas próprias antipartículas.


Em todas as escalas do Universo, de nossa região ao espaço interestelar, de galáxias individuais a aglomerados e filamentos e a grande teia cósmica, tudo o que observamos nos parece ser composto de matéria comum, mas não de antimatéria. Esse enigma permanece sem solução.

Então, o que dá o prefixo "anti" à antimatéria? Se pegarmos uma partícula separada, sua antipartícula terá a mesma massa e todos os mesmos números quânticos com o sinal oposto: é uma partícula que pode aniquilar a partir da primeira e se transformar em energia. Mas, para ser matéria, a partícula deve ter um número positivo de barion ou lepton. Para ser antimatéria, você deve ter um número negativo de bari ou lepton. Além disso, em nosso universo, não há razões fundamentais pelas quais a matéria seja superior à antimatéria de forma alguma; ainda não sabemos como essa simetria foi quebrada (embora tenhamos ideias). Se tudo fosse diferente, provavelmente chamaríamos tudo de "matéria", e o resto - "antimatéria", mas esses nomes são dados arbitrariamente. Como sempre, o universo está do lado daqueles que sobreviveram.