粒子，反粒子及其an灭

反粒子通常比实际呈现的更加神秘和神秘，这一切都要归功于科幻小说和其他作品，例如丹·布朗的《 天使与魔鬼 》。

每种类型的粒子都有一个反粒子。 通常这是一个单独的粒子，但是碰巧反粒子和粒子是相同的。 只有满足某些条件（例如，电中性）的粒子才能成为它们自己的反粒子。 这种粒子的一小部分例子是光子，Z粒子，胶子和引力子。 也许是三个中微子。 所有其他粒子都有质量相同但电荷相反的单独反粒子。 中子是不是自身反粒子的电中性粒子的示例。 像质子一样，中子比夸克具有更多的夸克，反中子比夸克具有更多的反夸克。

对于除反粒子以外的粒子，除反电子（通常称为正电子）外，反粒子的名称通常非常明显（上反夸克，反中微子，反τ）。

反物质为何如此著名，为什么听起来如此神秘？ 所有这些归功于“物质和反物质m灭为纯能量”的说法。 这句话听起来很酷，但并不严重。 这不是完全错误的，但也不是真的。 现实更加复杂，并不令人惊讶。

为简单起见，物理学家通常会在上下文中明显省略前缀“ anti”。 范例：

•在许多过程中，会出现介子和反介子。 物理学家有时将此称为“μ对”。
•W粒子会分解为上夸克和下反夸克，通常说它会“分解为夸克”。

particles灭粒子和反粒子

粒子和反粒子的ni灭使用了很多材料-听起来很神秘，令人恐惧和奇妙-但是这些是粒子物理学中发生的主要过程，这种描述经常引起误解。 我想描述一些基本规则，这些规则确定一种类型的粒子和反粒子是否变为彼此接近的另一对粒子和反粒子。 这不是消灭粒子和反粒子的完整历史，而是一个好的开始。

在像我们这样的世界中，受到量子力学和爱因斯坦相对论的控制，存在一个数学定理：对于每种类型的粒子，都有一个质量完全相同的对应类型的反粒子。 这不仅仅是一个定理-对于所有已知的粒子，反粒子都是通过实验获得的，因此没有什么可争论的。

但是，有些粒子与反粒子重合：光子的反粒子（光的粒子）将是光子。 Z粒子和希格斯粒子也是如此。 另一方面，带负电荷（根据定义）的电子具有带正电荷的反粒子，反电子或正电子。 几乎所有已知的粒子都具有此特征：介子具有反介子，上夸克具有上反夸克，带正电荷的W粒子具有带负电荷的反粒子W。

如果将粒子和反粒子放在一起，则几乎它们的所有特性都会相互破坏。 例如，一个μ子（一个电子的重表亲）的电荷加上一个反μ子的电荷将为零。 第一个是负数，第二个是正数，但大小相等。 唯一没有被破坏的是它们的质量和能量。 没错，这个说法有点技巧。 质量不是“守恒”的-它可以出现和消失 ，这对于粒子物理学非常有用。 唯一不会走到任何地方的就是能量。 节约能源：从此开始，到此结束。

1.介子和反介子变成两个光子

假设我有一个鞋盒，里面只有μ子和反μ子，它们实际上是静止的。 那么，盒子内的能量等于μ子的质量的能量和反μ子的质量的能量。 [“实际上”-因为我忽略了介子和反介子之间的电场，但这在我们的情况下可以忽略不计。]假设介子的质量为M，那么介子质量的能量将为M c ² ，并且将相同。适用于反μ子。 这两个粒子的动量将为零，因为它们不会移动。 框中的总能量E和动量p最初是

$$

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

框中的其他所有内容均为零：总电荷，角动量等。 只有能量。 和质量-但它们彼此相连。

由于几乎所有事物都被相互消灭，因此粒子和反粒子可以通过四个已知相互作用之一转换为另一个粒子及其反粒子。 例如，一个介子和一个反介子可以变成一个光子和另一个光子（请记住，光子本身就是一个反粒子）。 两个光子都会有能量-但是多少呢？ 嗯，光子将是相同的，并且它们将具有相同的能量，并且由于存储了该能量，因此最终的总能量将与初始的总能量相同：

$$

$$E_ {光子} = 1/2 E_ {最终} = 1/2 E_ {初始} = M c ^ 2 = E_ {μon}$$

注意刚刚发生的一件很酷的事情：我们从质量大的粒子开始，每个粒子不移动，没有运动的能量，但具有质量M c ²的能量。 最后我们得到了两个无质量的粒子，它们没有质量能，但是运动能等于μ子的质量能：
M c ² 。 见图。 1。


图 1个

同样，光子将具有脉冲。 但是，两个光子的动量将相反地指向并相互破坏，因此总动量将为零。

$$

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

注意能量是守恒的，动量是守恒的，但质量不是守恒的。 尽管初始质量为2 M，但最终质量为零。

2.介子和反介子变成电子和反电子

简单反应：

$$

$$粒子_1 +抗粒子_1 \右箭头粒子_2 +抗粒子_2$$

不仅是消除粒子和反粒子的可能方法，而且非常普遍。 让我们看一下粒子2的另一个选项。


图 2

介子和反介子可以变成电子和正电子（反电子），而不是变成两个光子，如图2所示。 2.两者将具有相同的质量； 我们叫她米。 电子的质量比μ子M的质量小约200倍。μ子和反μ子变成光子或电子/正电子对决定了随机性，但概率由量子力学方程式描述。

与以前相同的逻辑使我们得出相同的结论。 我们将具有对称性，一个电子和一个正电子，具有相同的质量，相同的能量，并且由于守恒律，总能量应与介子的初始能量相同。

$$

$$E_ {电子} = E_ {正电子} = 1/2 E_ {最终} = 1/2 E_ {初始} = M c2 = E_ {μon}$$

情况略有不同：我们从没有运动能且具有质量能M c ^2的块状静止粒子开始。 然后，我们完成了两个质量大的粒子，每个粒子的质量为mc ² ，运动能量很大，并且电子的总能量等于μ子M c ²的质量。 再次，电子动量与正电子动量相互破坏：

$$

$$p_ {final} = 0$$

当然，它们的电荷是相互破坏的。 转换前的框中没有电荷，转换后没有任何电荷。 能量又守恒，动量守恒，电荷守恒，但质量却不守恒。 初始质量为2M，最终质量为2m。


图 3

3.电子和反电子变成两个光子

静止的电子和正电子可以变成两个光子，就像介子和反介子一样。 可以执行所有计算，将问题减少到μ子的情况，只需将m替换为m即可。 没有区别（比较图1和图3）。

4.电子和反电子能变成介子和反介子吗？

不，是的。 答案取决于以下问题：

•否，如果电子和正电子最初处于静止状态。 它们没有足够的能量来产生介子和反介子，因此不会发生此过程。
•是的，如果电子和正电子具有很高的运动能量并且强烈碰撞。 当他们有足够的能量时，可能会发生一个过程。

首先，让我们确保如果电子和正电子处于静止状态-它们没有运动的能量-它们将不能变成μ子和反μ子。 逻辑很简单-我们只需要回到前面的问题，即介子和反介子变成电子和正电子，到处都用电子代替介子，反子用正电子代替，M替换为m。 结果是：

$$

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

但这是不可能的！ 该介子具有质量M c ^2的能量，加上正运动的能量。 M>米 原来有一个矛盾：

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 +“运动能量”≥M c ^ 2> m c ^ 2$$

由于能量守恒，μ子能不能等于mc ² ，因为能量守恒。 必须承认，这一过程不会发生。


图 4

但是，这正是为什么这种尝试不起作用的原因，并告诉我们如何实现我们想要的目标。 无需考虑静止的电子和正电子。 让我们加速它们-几乎达到光速，以便它们的运动能量变得非常大，并且总能量（质量能和运动能量）明显大于mc ² 。 为简单起见，假设它们的初始能量已等于M c ² 。 然后，盒子中的总初始能量将为2 M c ² ，并且为了进行该过程，守恒定律要求：

$$

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

与上一个方程式的要求不矛盾

$$

$$E_ {muon} = M c ^ 2 +“运动能量”≥M c ^ 2> m c ^ 2$$

电子和正电子的能量仅足以产生静止的介子和反介子（图5）。


图 5

如果我们使电子和正电子的能量更大，我们就可以产生介子和反介子。 多余的能量将转化为介子和反介子的运动能，见图。 6。

请注意，尽管能量守恒，但质量不再守恒。 在这种情况下，质量从2m增加到2M。 这对于粒子物理学非常重要！ 这是我们用来发现新粒子的主要技术之一。 我们以非常大的运动能量碰撞粒子和反粒子，希望它们将与它的反粒子一起变成空前的重粒子。


图 6

总结

•如果初始粒子比最终粒子重，固定粒子及其反粒子会被歼灭，从而产生粒子和反粒子。
•固定粒子和反粒子无法消灭，如果最终粒子比初始粒子重，则会产生粒子和反粒子。
•彼此相对运动的粒子及其反粒子可以歼灭，如果它们具有足够的运动能量，则会产生较重的粒子和反粒子。
•如果质量能和粒子运动能的总和等于较重粒子的质量能，那么生成的重粒子和反粒子将是静止的。
•如果质点能量和质点运动能量之和大于重质点质量的能量，则多余的能量将转化为质点运动和反质点的运动能。