Partículas e antipartículas. Guerra de partículas e antipartículas: o que é antimatéria. As principais formas de procurar antimatéria
A equação de Schrödinger não leva em consideração efeitos relativísticos e não pode descrever partículas com spin (o conceito de spin não existe na equação de Schrödinger). Em vez disso, a equação de Dirac é usada para partículas relativísticas. Usando esta equação, Dirac previu a existência do pósitron, a antipartícula do elétron.
Da expressão relativística para a energia da partícula
Segue-se que a energia de um elétron pode assumir valores positivos e negativos.
Entre a maior energia negativa e a menor energia positiva existe um intervalo de valores de energia com uma largura que não pode ser realizada.
Segue-se da equação de Dirac que existem duas faixas de autovalores de energia: uma começa em e se estende até, a outra começa e se estende até. Essas regiões são separadas por um band gap.
Segue-se da fórmula de Einstein que para uma região com energia negativa, a massa de um elétron também é negativa. Uma partícula com massa negativa possui muitas propriedades incomuns. Por exemplo, sob a ação de uma força de frenagem, ele acelerará, realizando trabalho na fonte da força de frenagem. Existem muitas outras propriedades incomuns associadas à massa negativa. Essas propriedades não aparecem experimentalmente.
Para superar as dificuldades associadas às massas negativas, Dirac assumiu que todos os níveis com energia negativa já estão ocupados por elétrons. Então, com base no princípio de Pauli, novos elétrons não serão mais capazes de se mover para esses níveis e permanecerão nos níveis positivos superiores. A situação lembra o esquema de preenchimento dos níveis inferiores de elétrons nos metais, quando elétrons com energias próximas à energia de Fermi estão envolvidos principalmente em processos físicos. A figura (esquema a) mostra níveis discretos de energia para um elétron, separados por intervalos de energias proibidas.
Se um dos elétrons no nível negativo receber energia
então esse elétron entrará em um estado de energia positiva e se comportará da maneira usual, como uma partícula com massa positiva e carga negativa (Esquema b). O “buraco” formado neste caso em níveis de energia negativos deveria se comportar como um elétron com carga positiva. Esta partícula teoricamente prevista foi chamada de pósitron. Pouco depois de Dirac ter previsto teoricamente a existência do pósitron e descrito suas propriedades, ele foi descoberto experimentalmente.
Quando um pósitron encontra um elétron, eles se aniquilam com a formação de dois (três) fótons
Esquematicamente, o processo de formação e aniquilação de um par elétron-pósitron pode ser representado da mesma forma que para semicondutores no mecanismo de condução elétron-buraco.
A Figura b mostra o esquema de nascimento e aniquilação de um par elétron-pósitron: 1 - o nascimento de um par elétron-pósitron, 2 - a aniquilação de um par semelhante. O nascimento de pares elétron-pósitron ocorre quando os fótons β passam pela matéria. Pode-se mostrar que para a produção de um par é necessário que haja uma carga no caminho do ?-fóton, por exemplo, um elétron, um próton, um núcleo, ... O esquema para a produção de um par próximo de um elétron tem a forma
Quando dois elétrons colidem
A equação de Dirac é aplicável não apenas aos elétrons, mas também a outras partículas com spin 1/2. Portanto, para cada partícula existe uma antipartícula. A formação de um par próton-antipróton pode ocorrer de acordo com o esquema
Essas reações ocorrem quando um próton colide com um próton ou um próton com um nêutron. Os limites para as reações correspondentes são 5,6 GeV e 4,5 GeV. Tais energias são obtidas pelos prótons em aceleradores modernos (sincrofasotrons), onde foram observadas as reações correspondentes.
As antipartículas são geralmente indicadas com um til (~). O antipróton difere do próton no sinal da carga elétrica (tem carga negativa) e na direção de seu próprio momento magnético (pois a direção do spin e o momento magnético são opostos).
As antipartículas existem não apenas nos férmions, mas também nos bósons. Assim, por exemplo, o -meson é a antipartícula do -meson. Existem partículas que são idênticas às suas antipartículas (ou seja, não possuem antipartículas). Essas partículas são chamadas de absolutamente neutras. Eles incluem fóton, -meson, ?-meson. Eles não aniquilam quando se encontram.
Para léptons, bósons e prótons, partículas e antipartículas diferem no sinal de sua carga elétrica. Para outras partículas, como os hiperons, as antipartículas diferem das partículas no sinal da carga bariônica. Neutrinos e antineutrinos diferem no sinal da carga leptônica.
Segue-se dos princípios gerais da teoria quântica que partículas e antipartículas devem ter as mesmas massas, os mesmos tempos de vida no vácuo, o mesmo módulo, mas cargas elétricas e momentos magnéticos de sinais opostos, os mesmos spins e spins isotópicos, e os mesmos outros valores quânticos. números atribuídos às partículas elementares.
Combinando-se, as antipartículas podem formar núcleos e átomos de antimatéria. Quando a antimatéria encontra a matéria comum, ocorre a aniquilação com a liberação de uma enorme energia (a matéria se transforma em radiação). Agora os antinúcleos são produzidos apenas em laboratórios.
Na verdade, a afirmação de que a interação de partículas e antipartículas implica invariavelmente a criação de fótons é falsa mesmo no que diz respeito a elétrons e pósitrons. Um par elétron-pósitron livre se aniquila com a formação de quanta eletromagnéticos somente se sua energia não for muito alta. Elétrons e pósitrons muito rápidos são capazes de gerar mésons pi positivos e negativos (também são píons), múons positivos e negativos, prótons e antiprótons e até partículas ainda mais pesadas - apenas energia seria suficiente. Prótons e antiprótons lentos durante a aniquilação dão origem a píons carregados e neutros (e rápidos a outras partículas), que decaem em gama quanta, múons e neutrinos. Em princípio, a colisão de uma partícula e sua anticópia pode resultar em qualquer uma das combinações de partículas que não são proibidas pelos princípios de simetria e leis de conservação. |
Pode parecer que a aniquilação não é diferente de outras interações interpartículas, mas tem uma característica fundamental. Para que partículas estáveis, como prótons ou elétrons, dêem origem a uma chuva de habitantes exóticos do microcosmo quando se encontram, elas precisam ser adequadamente dispersas. Os prótons lentos simplesmente mudarão sua velocidade quando se encontrarem - este será o fim do assunto. Mas o próton e o antipróton, ao se aproximarem, ou sofrem espalhamento elástico e se dispersam, ou se aniquilam e produzem partículas secundárias.
Todos os itens acima referem-se à aniquilação de partículas livres. Se pelo menos um deles fizer parte de um sistema quântico, a situação permanece a mesma em princípio, mas as alternativas mudam. Por exemplo, a aniquilação de um elétron livre e de um pósitron livre nunca pode dar origem a apenas um quantum - a lei da conservação do momento não permite. Isso é mais fácil de ver se você trabalhar no sistema do centro de inércia do par em colisão - então o momento inicial será igual a zero e, portanto, não pode coincidir com o momento de um único fóton, não importa para onde ele voe. Se um pósitron encontrar um elétron que seja, digamos, parte de um átomo de hidrogênio, a aniquilação de um fóton também é possível - neste caso, parte do momento será transferida para o núcleo atômico.
E O ANTIGRAV?
O físico inglês Arthur Schuster acreditava que a antimatéria era repelida gravitacionalmente pela matéria comum, mas a ciência moderna considera isso improvável. Dos princípios mais gerais de simetria das leis do micromundo, segue-se que as antipartículas devem ser atraídas umas pelas outras pela gravidade, como partículas sem o prefixo "anti". A questão de qual é a interação gravitacional de partículas e antipartículas ainda não foi totalmente resolvida, mas a resposta é quase óbvia.
Vamos começar com a teoria geral da relatividade de Einstein. Baseia-se no princípio da estrita igualdade das massas gravitacional e inercial, e para a matéria comum esta afirmação foi confirmada experimentalmente por muitas medições muito precisas. Como a massa inercial de uma partícula é exatamente igual à massa da sua antipartícula, parece muito provável que as suas massas gravitacionais também sejam iguais. No entanto, esta ainda é uma suposição, embora muito plausível, e não pode ser provada por meio da relatividade geral.
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Este é o registro da radiação com energia característica de aniquilação, ou o registro direto das antipartículas por massa e carga. Como os antiprótons e os núcleos de antihélio não podem voar pela atmosfera, eles só podem ser detectados com a ajuda de instrumentos elevados nas altas camadas da atmosfera em balões, ou instrumentos orbitais, como o espectrômetro alfa magnético AMS-01 entregue à estação Mir em 1998, ou seu homólogo muito melhorado AMS-02 (foto), que iniciará seu trabalho na ISS. |
PRINCIPAIS FORMAS DE PROCURAR ANTIMATÉRIA |
Outro argumento contra a repulsão gravitacional entre matéria e antimatéria decorre da mecânica quântica. Lembre-se de que os hádrons (partículas que participam de interações fortes) são compostos de quarks colados por ligações de glúons. Cada bárion consiste em três quarks, enquanto os mésons consistem em combinações emparelhadas de quarks e antiquarks, e nem sempre iguais (um méson, que consiste em um quark e seu próprio antiquark, é uma partícula verdadeiramente neutra no sentido de que é completamente idêntico ao seu antimeson). No entanto, estas estruturas de quarks não podem ser consideradas absolutamente estáveis. Um próton, por exemplo, é composto de dois quarks u, cada um dos quais carrega uma carga elétrica elementar de +2/3, e um quark d com carga de -1/3 (portanto, a carga do próton é +1 ). No entanto, esses quarks, como resultado da interação com os glúons, podem mudar de natureza em um tempo muito curto - em particular, podem se transformar em antiquarks. Se partículas e antipartículas se repelem gravitacionalmente, o peso do próton (e também, é claro, do nêutron) deverá oscilar ligeiramente. No entanto, até agora nenhum tal efeito foi encontrado em um único laboratório.
Não há dúvida de que algum dia Sua Majestade Experiment responderá a esta pergunta. Precisamos de um pouco - acumular mais antimatéria e ver como ela se comporta no campo gravitacional terrestre. No entanto, tecnicamente, estas medições são incrivelmente complexas e é difícil prever quando poderão ser implementadas.
ENTÃO QUAL É A DIFERENÇA?
Após a descoberta do pósitron durante um quarto de século, quase todos os físicos tinham certeza de que a natureza não distingue entre partículas e antipartículas. Mais especificamente, acreditava-se que qualquer processo físico envolvendo partículas corresponde exatamente ao mesmo processo envolvendo antipartículas, e ambos são realizados com a mesma probabilidade. Os dados experimentais disponíveis atestam que este princípio é observado para todas as quatro interações fundamentais - forte, eletromagnética, fraca e gravitacional.
E então, de repente, tudo mudou dramaticamente. Em 1956, os físicos americanos Li Jundao e Yang Jenning publicaram um artigo ganhador do Prêmio Nobel no qual discutiram a dificuldade de duas partículas aparentemente idênticas, o méson teta e o méson tau, decaírem em diferentes números de píons. Os autores enfatizaram que esse problema pode ser resolvido se assumirmos que tais decaimentos estão associados a processos cuja natureza muda ao passar do direito ao frio, ou seja, à reflexão espelhada (um pouco mais tarde, os físicos perceberam que, em termos gerais, precisamos falar sobre reflexões em cada um dos três planos coordenados - ou, o que dá no mesmo, sobre a mudança de sinais de todas as coordenadas espaciais, inversão espacial). Isto significa que o processo espelhado pode ser proibido ou ocorrer com uma probabilidade diferente daquela anterior ao espelhamento. Um ano depois, experimentadores americanos (pertencentes a dois grupos independentes e trabalhando com métodos diferentes) confirmaram que tais processos existem.
Este foi apenas o começo. Ao mesmo tempo, físicos teóricos da URSS e dos EUA perceberam que a violação da simetria do espelho torna possível a violação da simetria no que diz respeito à substituição de partículas por antipartículas, o que também foi repetidamente comprovado em experimentos. Vale a pena notar que não muito antes de Lee e Yang, mas ainda no mesmo 1956, a possibilidade de quebrar a simetria do espelho foi discutida pelo físico experimental Martin Block e pelo grande teórico Richard Feynman, mas nunca publicaram essas considerações.
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Durante uma das últimas missões do ônibus espacial (STS-134) em 2010, um novo instrumento científico, o Espectrômetro Magnético Alfa (AMS-02, Espectrômetro Magnético Alfa), será entregue à ISS. Seu protótipo AMS-01 foi entregue a bordo da estação espacial Mir em 1998 e confirmou o desempenho do conceito. O principal objetivo do programa científico será estudar e medir com alta precisão a composição dos raios cósmicos, bem como procurar formas exóticas de matéria - matéria escura, matéria estranha (partículas que contêm quarks estranhos), como bem como antimatéria - em particular, núcleos de antihélio. |
AMS PARA ISS |
Os físicos tradicionalmente denotam a reflexão espelhada com a letra latina P, e a substituição de partículas por suas antipartículas com a letra C. Ambas as simetrias são violadas apenas em processos que envolvem a interação fraca, aquela que é responsável pelo decaimento beta dos núcleos atômicos. Conclui-se que é devido a interações fracas que existem diferenças no comportamento de partículas e antipartículas.
Uma estranha violação da simetria do espelho deu vida a tentativas de compensá-la de alguma forma. Já em 1956, Lee e Yang, e independentemente Lev Landau, sugeriram que a natureza não distingue entre sistemas que são obtidos uns dos outros pela aplicação conjunta das transformações C e P (a chamada simetria CP). Do ponto de vista teórico, esta hipótese parecia muito convincente e, além disso, ajustava-se bem aos dados experimentais. No entanto, apenas oito anos depois, funcionários do Laboratório Nacional de Brookhaven descobriram que um dos mésons K sem carga (ou, como também são chamados, kaons) pode decair em um par de píons. Com estrita observância da simetria CP, tal transformação é impossível - e, portanto, esta simetria não é universal! É verdade que a parcela de decadências supostamente proibidas não ultrapassou 0,2%, mas ainda assim ocorreram! A descoberta rendeu aos líderes da equipe de Brookhaven, James Cronin e Val Fitch, o Prêmio Nobel de Física.
SIMETRIA E ANTIMATÉRIA
As violações da simetria CP estão diretamente relacionadas à diferença entre matéria e antimatéria. No final da década de 1990, um experimento muito bonito foi feito no CERN com kaons neutros K 0, cada um dos quais consiste em um quark d e um antiquark estranho mais massivo. As leis da natureza permitem que o antiquark perca parte de sua energia e se transforme em um anti-d. A energia liberada pode ser usada para decair o kaon, mas é possível que o quark d vizinho a absorva e se transforme em um quark estranho. Como resultado disso, aparecerá uma partícula composta por um anti-d-quark e um quark estranho, ou seja, um antikaon neutro. Formalmente, esta transformação pode ser descrita como o resultado da aplicação da transformação CP ao kaon!
Assim, se a simetria CP for observada de forma absolutamente estrita, então os kaons neutros K 0 se transformam em suas antipartículas com exatamente a mesma probabilidade de sofrerem transformações reversas. Qualquer violação da simetria CP implicará uma alteração numa destas probabilidades. Se prepararmos um feixe de igual número de kaons e antikaons neutros e seguirmos a dinâmica da concentração de ambas as partículas, poderemos descobrir se suas oscilações quânticas respeitam a simetria CP.
Isto é exatamente o que os físicos do CERN fizeram. Eles descobriram que os antikaons neutros se transformam em kaons um pouco mais rápido do que em antikaons. Em outras palavras, foi descoberto um processo durante o qual a antimatéria se transforma em matéria mais rapidamente do que a matéria em antimatéria! Em uma mistura com proporções inicialmente iguais de matéria e antimatéria, com o tempo, até mesmo um pequeno, mas ainda mensurável excesso de matéria é formado. O mesmo efeito foi revelado em experimentos com outras partículas neutras pesadas - mésons D 0 e mésons B 0.
Assim, no final do século XX, os experimentadores provaram de forma convincente que as interações fracas têm efeitos diferentes nas partículas e nas antipartículas. Embora essas diferenças sejam muito pequenas em si mesmas e só venham à tona no decorrer de certas transformações de partículas muito exóticas, elas são todas bastante reais. Isso significa a presença de assimetria física entre matéria e antimatéria.
Para completar o quadro, mais uma circunstância deve ser observada. Na década de 1950, a proposição mais importante da mecânica quântica relativística, o teorema CPT, foi provada. Diz que partículas e antipartículas são estritamente simétricas em relação à transformação CP seguida de reversão no tempo (a rigor, este teorema é verdadeiro apenas sem levar em conta a gravidade, caso contrário a questão permanece em aberto). Portanto, se a simetria CP não for respeitada em alguns processos, sua velocidade nas direções “avante” e “reversa” (o que considerar como ambos, é claro, é uma questão de acordo) não deveria ser a mesma. Isto é precisamente o que provaram as experiências do CERN com kaons neutros.
ONDE ESTÁ O ANTI-MUNDO?
Em 1933, Paul Dirac tinha certeza de que existem ilhas inteiras de antimatéria em nosso Universo, que ele mencionou em sua palestra do Nobel. No entanto, os cientistas modernos acreditam que não existem tais ilhas nem na nossa Galáxia nem fora dela. Claro, a antimatéria como tal existe. As antipartículas são geradas por muitos processos de alta energia – por exemplo, a queima termonuclear de combustível estelar e explosões de supernovas. Eles surgem em nuvens de plasma magnetizado ao redor de estrelas de nêutrons e buracos negros, durante colisões de partículas cósmicas rápidas no espaço interestelar, durante o bombardeio da atmosfera terrestre com raios cósmicos e, finalmente, em experimentos com aceleradores. Além disso, o decaimento de alguns radionuclídeos é acompanhado pela formação de antipartículas - nomeadamente pósitrons. Mas tudo isso são apenas antipartículas e de forma alguma antimatéria. Até agora, ninguém foi capaz de detectar nem mesmo o antihélio cósmico, muito menos elementos mais pesados. A busca por radiação gama com espectro específico, causada pela aniquilação nas fronteiras de aglomerados cósmicos de matéria e antimatéria, também não teve sucesso.
MUNDO OU ANTI-MUNDO? |
Vamos imaginar que estamos voando em uma nave interestelar que se aproxima de um planeta com vida inteligente. Como descobrir do que são feitos nossos irmãos em mente - matéria ou antimatéria? Você pode enviar uma sonda de reconhecimento, mas se ela explodir na atmosfera, poderemos ser considerados agressores espaciais, como no romance de ficção científica Antiworld, de Krzysztof Borun. Isso pode ser evitado usando os mesmos kaons e antikaons neutros. Como já mencionado, eles são capazes não apenas de se transformar, mas também de se desintegrar, e de maneiras diferentes. Nesses decaimentos, os neutrinos podem ser produzidos acompanhados por píons e elétrons positivos, ou por píons e pósitrons negativos. |
MUNDO OU ANTI-MUNDO? |
Periodicamente aparecem relatórios na literatura científica sobre a descoberta de fontes primárias não padronizadas de antipartículas cósmicas de origem desconhecida. Em abril de 2009, foram publicados dados sobre um misterioso excesso de pósitrons extremamente rápidos detectados pelo complexo detector PAMELA. Este equipamento está colocado a bordo do satélite russo Resurs-DK, que foi enviado para a órbita próxima à Terra em 15 de junho de 2006 a partir do cosmódromo de Baikonur. Alguns especialistas interpretaram este resultado como possível evidência da aniquilação de hipotéticas partículas de matéria escura, mas logo surgiu uma explicação menos exótica. Esta hipótese foi comentada pelo conhecido especialista em raios cósmicos Veniamin Berezinsky, do Laboratório Nacional Gran Sasso, que faz parte do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear: “O modelo padrão para a produção de raios cósmicos galácticos assenta em três posições. Os remanescentes de supernova são considerados a primeira e principal fonte de partículas carregadas. A segunda ideia - as partículas são aceleradas a velocidades ultrarelativísticas nas frentes de ondas de choque pós-explosivas, e nesta aceleração o papel de seu próprio campo magnético é muito grande. A terceira A posição é que os raios cósmicos se propagam por difusão.Meu ex-aluno e agora professor do Instituto Nacional de Astrofísica, Pasquale Blasi, mostrou que o excesso de pósitrons detectados pelo complexo PAMELA é bastante consistente com este modelo.Prótons acelerados em ondas de choque colidem com partículas de gás cósmico e é nesta zona de sua aceleração que se transformam em píons positivos, que decaem com a formação de pósitrons e neutrinos. De acordo com os cálculos de Blazy, este processo poderia muito bem produzir exatamente a mesma concentração de pósitrons que PAMELA encontrou. Tal mecanismo de geração de pósitrons parece absolutamente natural, mas por alguma razão nunca ocorreu a ninguém até agora. Blasi também mostrou que os mesmos processos também deveriam gerar antiprótons em excesso. No entanto, a secção transversal da sua produção é muito menor do que o valor correspondente para os positrões, pelo que só podem ser detectados a energias mais elevadas. Acho que isso se tornará possível com o tempo."
Em geral, até agora tudo indica que não existem antiestrelas, nem antiplanetas, nem mesmo os menores antimeteoros no espaço. Por outro lado, os modelos convencionais do Big Bang afirmam que logo após o nascimento, o nosso universo continha o mesmo número de partículas e antipartículas. Então, por que o primeiro sobreviveu e o segundo desapareceu?
- gêmeos de partículas elementares comuns, que diferem destas no sinal da carga elétrica e nos sinais de algumas outras características. Partículas e antipartículas têm as mesmas massas, spins e tempos de vida. Se a partícula também for caracterizada por outras características quânticas internas que possuem um sinal, então os valores dessas características para a antipartícula são os mesmos, mas os sinais são opostos. Se a partícula for instável (experimentando decaimento), então a antipartícula também é instável, e seus tempos de vida coincidem e os métodos de decaimento coincidem (até a substituição nos esquemas de decaimento das partículas em antipartículas).
A matéria comum consiste em prótons (p), nêutrons (n) e elétrons (e -). A antimatéria consiste em suas antipartículas - antiprótons (), antinêutrons () e antielétrons (pósitrons e +). A escolha de quais partículas considerar como partículas e quais como antipartículas é condicional e determinada por considerações de conveniência. A antipartícula de uma antipartícula é uma partícula. Quando uma partícula e uma antipartícula colidem, elas desaparecem (aniquilam), transformando-se em gama quanta.
Em alguns casos (por exemplo, um fóton ou méson π 0, etc.), a partícula e a antipartícula coincidem completamente. Isso se deve ao fato do fóton e do méson π 0 não possuírem carga elétrica e outras características internas com sinal.
| Característica | Partícula | Antipartícula |
|---|---|---|
| Peso | M | M |
| Carga elétrica | +(-)Q | -(+)Q |
| Rodar | J. | J. |
| Momento magnético | +(-)μ | -(+)μ |
| número bariônico | +B | -B |
| Número leptônico | +L e , +L μ , +L τ | -L e , -L μ , -L τ |
| Estranheza | +(-)s | -(+)s |
| Charme | +(-)c | -(+)c |
| fundo | +(-)b | -(+)b |
| topness | +(-)t | -(+)t |
| Isospin | EU | EU |
| Projeção isospin | +(-)I 3 | -(+)I 3 |
| Paridade | +(-) | -(+) |
| Vida | T | T |
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Esquema de decadência |
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conjugado de carga  |
A antimatéria consiste em antipartículas - antiprótons, antinêutrons e antielétrons - pósitrons e +. Partículas e antipartículas são iguais. A escolha de quais partículas considerar como partículas e quais como antipartículas é condicional e determinada por considerações de conveniência. Na parte observável do Universo, a matéria consiste em elétrons com carga negativa, prótons e nêutrons com carga positiva.
Quando um elétron e um pósitron colidem, eles desaparecem (aniquilam), transformando-se em gama quanta. Durante a aniquilação de partículas que interagem fortemente, por exemplo, um próton e um antipróton, vários mésons π + , π - , π 0 , K + , K - , K 0 são formados.
ANTIPARTÍCULAS
ANTIPARTÍCULAS
O conjunto de elementos. partículas com os mesmos valores de massa e outros valores físicos. char-k, como seus "gêmeos" - h-tsy, mas diferindo deles no sinal de certos efeitos char-k (por exemplo, carga elétrica, momento magnético). O nome "h-tsa" e "A." até certo ponto condicional: pode-se chamar o antielétron (carregado positivamente. e-n) h-tsey, e e-n - A. No entanto, os átomos nas ilhas na parte observável do universo contêm e-ns com um negativo. carga, enquanto os prótons são positivos. Portanto, para os mais conhecidos desde o início. 20 anos século 20 elemento. h-ts - el-on e próton (e mais tarde nêutron) o nome "partícula" foi adotado.
A conclusão sobre a existência de A. foi feita pela primeira vez em 1931 pelos ingleses. físico P. Dirac. Ele trouxe o parente. quântico. ur-ção para e-on (equação de Dirac), que se revelou simétrica em relação ao sinal do elétrico. carga: junto com uma carga negativa. el-nom descreveu uma carga positiva. h-zu da mesma massa - um antielétron. Segundo a teoria de Dirac, a colisão de p-tsy e A. deveria levar à sua aniquilação - o desaparecimento desse par, a partir do qual nascem dois ou mais outros p-ts, por exemplo. fótons.
Em 1932, os antielétrons foram descobertos experimentalmente por Amer. físico K. Anderson. Ele fotografou chuvas formadas por raios cósmicos em uma câmara de nuvens colocada em um magn. . Cobrar h-tsa se move em magn. o campo ao longo de um arco de círculo, e as partículas com cargas de sinais diferentes são desviadas pelo campo em direções opostas. Junto com os então conhecidos vestígios de notícias eletrônicas rápidas, Anderson encontrou nas fotografias exatamente a mesma aparência. traços mentais carregados positivamente. h-ts da mesma massa. Essas pessoas foram chamadas de pósitrons. A descoberta do pósitron foi uma confirmação brilhante da teoria de Dirac. Desde então, a busca por outros A.
Em 1936 também no espaço. os raios foram considerados negativos. e coloque. (m- e m+), que são h-tsey e A. em relação um ao outro. Em 1947 descobriu-se que os múons são cosmos. os raios surgem como resultado do decaimento de mésons h-c - pi um pouco mais pesados (p-, p+). Em 1955, os primeiros antiprótons foram registrados em experimentos no acelerador. Física. o processo que resultou na formação de antiprótons foi o próton -. Um pouco mais tarde, os antinêutrons foram descobertos. Em 1981, A. de quase todos os elementos conhecidos foram descobertos experimentalmente. olá.
Os princípios gerais da teoria quântica de campos permitem tirar uma série de conclusões profundas sobre as propriedades de uma partícula e de um átomo: massa, spin, spin isotópico, o tempo de vida de uma partícula e de seu átomo deve ser o mesmo (em particular, partículas estáveis correspondem a A. estável); igual em magnitude, mas de sinal oposto, não deve ser apenas elétrico. cargas (e magn.) h-tsy e A., mas também todos os outros quantum. números que são atribuídos às pessoas para descrever os padrões de seus efeitos: carga bárion, carga leptônica, estranheza, "", etc. Ch-tsa, em que todas as características que o distinguem de A. são iguais a zero, chamado verdadeiro neutro; h-ts e A. tais h-ts são idênticos. Estes incluem, por exemplo, mésons p0 e h, partículas J/y e Y.
Até 1956, acreditava-se que havia um completo entre p-tsy e A. Isso significa que se c.-l. processo entre p-tsami, então deve haver exatamente o mesmo processo entre A. Em 1956, foi descoberto que tal simetria existe apenas em ímã forte e el. vz-stvie. Numa influência fraca, foi descoberta uma violação da simetria da partícula-A. (ver CARGA CASAL). De A., em princípio, pode ser construído exatamente da mesma maneira que in-in de ch-ts. Porém, a possibilidade de aniquilação ao encontrar seres humanos não permite mais A.. existe em in-ve. A. só pode “viver” por muito tempo se houver uma ausência total de contacto com as pessoas nas ilhas. A evidência da presença de antimatéria em algum lugar “próximo” do Universo seria uma aniquilação poderosa. , vindo para a Terra da área de contato in-va e antimatéria. Mas até agora a astrofísica não conhece os dados que falariam da existência no Universo de regiões repletas de antimatéria.
Dicionário Enciclopédico Físico. - M.: Enciclopédia Soviética. . 1983 .
ANTIPARTÍCULAS
Partículas elementares com os mesmos valores de massas, spins, etc. características, como seus "gêmeos" - "partículas", mas diferindo delas em sinais de certas características de interação ( cobranças, por exemplo. sinal elétrico. cobrar).
A existência de A. foi prevista por P. A. M. Dirac (P. A. M. Dirac). A equação relativística quântica do movimento do elétron obtida por ele em 1928 (ver. Equação de Dirac) continha necessariamente soluções com neg. energias. Mais tarde foi demonstrado que o desaparecimento de um elétron com negativo a energia deve ser interpretada como o surgimento de uma partícula (da mesma massa) com o positivo. energia e positivo. elétrico carga, ou seja, A. em relação ao elétron. Esta partícula é pósitron - inaugurado em 1932.
Em experimentos subsequentes, descobriu-se que não apenas , mas também todas as outras partículas possuem seu A. Em 1936, no cósmico. os raios estavam abertos múon e seu A., e em 1947 - - e - mésons que compõem um par de partículas A.; registrado em 1955 em experimentos com aceleradores antipróton, em 1956 - antinêutron etc. Para apresentar. AAs foram observados para quase todas as partículas conhecidas e não há dúvida de que AAs estão presentes em todas as partículas.
A existência e as propriedades de A. são determinadas de acordo com os fundamentos. princípio da teoria quântica de campos - sua invariância em relação a SRT transformações (v. teorema CPT). De CPT-teorema segue que o spin e o tempo de vida da partícula e seu A. devem ser os mesmos. Em particular, partículas estáveis (em relação ao decaimento) correspondem a átomos estáveis (no entanto, a sua existência na matéria por muito tempo é impossível devido a aniquilação com partículas de matéria). Os estados das partículas e seus A. estão conectados pela operação conjugação de carga.
Portanto, a partícula e A. possuem sinais elétricos opostos. cargas (e momentos magnéticos) têm o mesmo rotação isotópica, mas diferem no sinal de sua terceira projeção, têm a mesma magnitude, mas de sinal oposto estranheza, charme, beleza etc. Conversão inversão combinada (CP) associa partículas helicoidais a estados de A. de helicidade oposta. Números bárions e leptônicos de mesma magnitude, mas de sinais opostos, são atribuídos a partículas e suas amplitudes.
Devido à invariância em relação à conjugação de carga ( COM-invariância) do forte e el.-mag. interações conectadas por forças correspondentes, objetos compostos de partículas (núcleos atômicos, átomos) e de átomos (núcleos e átomos) antimatéria) deve ter a mesma estrutura. Pela mesma razão, a estrutura dos hádrons e sua acústica coincidem, aliás, no âmbito do modelo quarks os estados dos antibárions são descritos exatamente da mesma maneira que os estados dos bárions, com a substituição dos quarks constituintes pelos correspondentes antiquários. Os estados dos mésons e seus A. são diferenciados pela substituição dos componentes do quark e antiquark pelos correspondentes e quark. Para verdadeiras partículas neutras os estados da partícula e do átomo coincidem. Tais partículas têm certos paridade de cobrança(com paridade) e RS- paridade. Todos os conhecidos são bósons (por exemplo, -mésons - com spin - com spin 1), porém, em princípio, também podem existir férmions verdadeiramente neutros (os chamados. Partículas de Majorana).
Interação fraca não é invariante em relação à conjugação de cargas e, conseqüentemente, quebra a simetria entre partículas e diamantes, o que se manifesta na diferença de certos diferenciais. características de seus decaimentos fracos.
Se k.-l. dos números quânticos de uma partícula eletricamente neutra não é estritamente conservado, então são possíveis transições (oscilações) entre os estados da partícula e seu A. Nesse caso, estados com um certo número quântico não conservado não são adequados. estados do operador energia-momento, mas são superposições de estados verdadeiramente neutros com um definido. valores de massa. Um fenômeno semelhante pode ser realizado em sistemas, etc.
A própria definição do que chamar de "partícula" em um par partícula-A. significa. medir condicionalmente. Contudo, com uma dada escolha de “partícula” o seu A. é determinado de forma única. A conservação do número bárion nos processos de interação fraca permite determinar a "partícula" em qualquer par bárion-antibárion pela cadeia de decaimentos bariônicos. A escolha de um elétron como "partícula" em um par elétron-pósitron fixa (devido à conservação do número leptônico em processos de interação fraca) a definição do estado de uma "partícula" em um par de neutrinos-antineutrinos do elétron. Transições entre léptons se decompõem. gerações (do tipo ) não foram observadas, de modo que a definição de uma "partícula" em cada geração de léptons, de modo geral, pode ser feita de forma independente. Normalmente, por analogia com um elétron, as "partículas" são chamadas de carregadas negativamente. , que, com a conservação do número leptônico, determina os correspondentes e antineutrinos. Para bósons, o conceito de "partícula" pode ser fixado pela definição, por exemplo, hipercarga.
O nascimento de A. ocorre nas colisões de partículas de matéria aceleradas a energias que excedem o limiar para o nascimento de um par partícula-A. (cm. nascimento de casais). No laboratório A. As condições nascem nas interações das partículas nos aceleradores; o armazenamento do A. formado é realizado em anéis de armazenamento sob alto vácuo. Na natureza. A. As condições nascem durante a interação do cósmico primário. raios com a matéria, por exemplo, a atmosfera terrestre, e também devem nascer nas proximidades pulsares e núcleos galácticos ativos. Teórico considera a formação de A. (pósitrons, antinúcleos) durante o acréscimo de matéria em buracos negros. No quadro da modernidade Os cosmólogos consideram o nascimento de A. durante a evaporação de buracos negros primordiais de pequena massa.
Em temp-pax excedendo a energia de repouso das partículas de um determinado tipo (usado = 1), o par partícula-A. estão presentes em equilíbrio com matéria e e-mag. radiação. Tais condições podem ser realizadas para elétron-pósitron nos núcleos quentes de estrelas massivas. De acordo com a teoria do Universo quente, nos estágios iniciais da expansão do Universo, os pares partícula-A estavam em equilíbrio com a matéria e a radiação. todas as variedades. de acordo com modelos grande unificação efeitos de perturbação C- e a invariância CP em processos de não-equilíbrio com não conservação do número bariônico poderia levar, no Universo muito primitivo, a assimetria bárion do universo mesmo sob condições de estrita igualdade inicial do número de partículas e A. Isso dá um resultado físico. justificativa para a ausência de observação. dados sobre a existência de objetos no Universo de A.
Aceso.: Dirac PAM, Princípios da mecânica quântica, trad. do inglês, 2ª ed., M., 1979; Nishijima K., Partículas fundamentais, trad. do inglês, , 1965; Li Ts., Wu Ts., Interações fracas, trad. do inglês, M., 1968; Zeldovich Ya. V., Novikov I. D., Estrutura e evolução do Universo, M., 1975. M. Yu Khlopov.
Enciclopédia física. Em 5 volumes. - M.: Enciclopédia Soviética. Editor-chefe A. M. Prokhorov. 1988 .
Veja o que é "ANTI-PARTÍCULAS" em outros dicionários:
Partículas elementares que têm a mesma massa, rotação, tempo de vida e algumas outras características internas que suas contrapartes de partículas, mas diferem das partículas nos sinais de carga elétrica e momento magnético, carga bariônica, lépton... ... Grande Dicionário Enciclopédico
ANTIPARTÍCULAS, gêmeas de partículas elementares, nas quais as massas e outras características físicas têm os mesmos valores das partículas, e algumas características, como carga elétrica ou momento magnético, têm sinais opostos. Quase tudo… … Enciclopédia Moderna
antipartículas- ANTIPARTÍCULAS, “gêmeas” das partículas elementares, cujas massas e outras características físicas possuem os mesmos valores das partículas, e algumas características, como carga elétrica ou momento magnético, têm sinais opostos. Quase… … Dicionário Enciclopédico Ilustrado
ANTIPARTÍCULAS- um conjunto de partículas elementares e muitas partículas fundamentais, cuja massa e (ver) são exatamente iguais à massa e spin de uma determinada partícula, e a carga elétrica, o momento magnético e outras características semelhantes são iguais com as mesmas características da partícula, mas ... ... Grande Enciclopédia Politécnica
Uma antipartícula é gêmea de alguma outra partícula elementar, tendo a mesma massa e o mesmo spin, mas diferindo dela nos sinais de algumas características de interação (cargas, como cargas elétricas e coloridas, bárion e ... ... Wikipedia
A hipótese da antipartícula surgiu pela primeira vez em 1928, quando P. Dirac, com base na equação de onda relativística, previu a existência do pósitron (ver § 263), descoberto quatro anos depois por K. Anderson como parte da radiação cósmica.
Um elétron e um pósitron não são o único par de partículas e antipartículas. Com base na teoria quântica relativística, eles chegaram à conclusão de que para cada partícula elementar deve haver uma antipartícula (o princípio da conjugação de cargas). Experimentos mostram que, com algumas exceções (por exemplo, o fóton e o méson p 0), de fato, cada partícula corresponde a uma antipartícula.
Segue-se das disposições gerais da teoria quântica que partículas e antipartículas devem ter as mesmas massas, os mesmos tempos de vida no vácuo, as mesmas cargas elétricas (e momentos magnéticos) com o mesmo módulo, mas de sinal oposto, os mesmos spins e spins isotópicos, e os mesmos outros números quânticos., atribuído a partículas elementares para descrever as leis de sua interação (número leptônico (ver § 275), número bariônico (ver § 275), estranheza (ver § 274), encanto (ver § 275), etc.). Até 1956, acreditava-se que existe uma simetria completa entre partículas e antipartículas, ou seja, se algum processo ocorre entre partículas, então deve existir exatamente o mesmo (com as mesmas características) processo entre antipartículas. Porém, em 1956 foi provado que tal simetria é característica apenas para as interações fortes e eletromagnéticas e é violada para as fracas.
De acordo com a teoria de Dirac, a colisão de uma partícula e uma antipartícula deveria levar à sua aniquilação mútua, resultando no surgimento de outras partículas elementares ou fótons. Um exemplo disso é a reação considerada (263,3) de aniquilação de um par elétron-pósitron (-1 0 e+ + 1 0 e® 2g).
Depois que a existência teoricamente prevista do pósitron foi confirmada experimentalmente, surgiu a questão sobre a existência do antipróton e do antinêutron. Os cálculos mostram que para criar um par partícula-antipartícula é necessário gastar energia que exceda a dupla energia de repouso do par, uma vez que as partículas devem receber uma energia cinética muito significativa. Para criar um par p-p̃, é necessária uma energia de aproximadamente 4,4 GeV. O antipróton foi de fato descoberto experimentalmente (1955) durante o espalhamento de prótons (acelerado no então maior sincrofasotron da Universidade da Califórnia) por núcleos de núcleos alvo (o cobre serviu como alvo), como resultado do qual um par p - p̃ nasceu.
Um antipróton difere de um próton nos sinais de carga elétrica e em seu próprio momento magnético. Um antipróton pode aniquilar não apenas um próton, mas também um nêutron:
(273.1) (273.2) (273.3)
Um ano depois (1956), o mesmo acelerador conseguiu obter um antinêutron (ñ) e realizar sua aniquilação. Os antinêutrons surgiram como resultado da troca de cargas dos antiprótons à medida que se moviam pela matéria. A reação de troca de carga р̃ consiste na troca de cargas entre um núcleon e um antinúcleo e pode prosseguir de acordo com os esquemas
(273.4) (273.5)
O antinêutron ñ difere do nêutron no sinal de seu próprio momento magnético. Se os antiprótons são partículas estáveis, então um antinêutron livre, se não sofrer aniquilação, eventualmente sofre decaimento de acordo com o esquema
Antipartículas também foram encontradas para o méson p +, kaons e hiperons (ver § 274). No entanto, existem partículas que não possuem antipartículas - são as chamadas partículas verdadeiramente neutras. Estes incluem fóton, méson p° e méson η (sua massa é 1074m e , tempo de vida 7×10 -19 s; decai com a formação de mésons p e γ-quanta). Partículas verdadeiramente neutras não são capazes de aniquilação, mas experimentam transformações mútuas, que são propriedade fundamental de todas as partículas elementares. Podemos dizer que cada uma das partículas verdadeiramente neutras é idêntica à sua antipartícula.
De grande interesse e sérias dificuldades foram a prova da existência de antineutrinos e a resposta à questão de saber se neutrinos e antineutrinos são partículas idênticas ou diferentes. Usando poderosos fluxos de antineutrinos obtidos em reatores (fragmentos de fissão de núcleos pesados experimentam decaimento β e, de acordo com (258.1), emitem antineutrinos), os físicos americanos F. Reines e K. Cowan (1956) registraram de forma confiável a reação de captura de um elétron antineutrino por um próton:
Da mesma forma, a reação de captura de um neutrino de elétron por um nêutron é fixa:
Assim, as reações (273,6) e (273,7) foram, por um lado, prova indiscutível de que v e e ṽ e, são partículas reais, e não conceitos fictícios introduzidos apenas para explicar o decaimento β, e por outro lado, confirmaram a conclusão de que v e e ṽ e- várias partículas.
Posteriormente, experimentos sobre a produção e absorção de neutrinos de múon mostraram que eu e ṽ m são partículas diferentes. Também está provado que o par v e, eu são partículas diferentes, e o par v e, ṽ e não é o mesmo que um casal eu, ṽ m Segundo a ideia de B. M. Pontecorvo (ver § 271), a reação de captura do neutrino do múon foi realizada (obtida pelo decaimento de p + ®m + + v m (271.1)) por nêutrons e as partículas resultantes foram observado. Descobriu-se que a reação (273,7) não ocorre e a captura ocorre de acordo com o esquema
isto é, em vez de elétrons, m - múons nasceram na reação. Isso confirmou a diferença entre v e e vm
De acordo com os conceitos modernos, neutrinos e antineutrinos diferem entre si em uma das características quânticas do estado de uma partícula elementar - a spnalidade, definida como a projeção do spin da partícula na direção de seu movimento (por momento). Para explicar os dados experimentais, assume-se que o spin s do neutrino é orientado antiparalelamente ao momento p, ou seja, as direções p e s formam um parafuso para a esquerda e o neutrino tem uma helicidade para a esquerda (Fig. 349, uma ). Para antineutrinos, as direções p e s formam um parafuso direito, ou seja, o antineutrino tem espinalidade direita (Fig. 349, b). Esta propriedade é igualmente válida para neutrinos de elétrons e múons (antineutrinos).
Para que a helicidade seja usada como uma característica dos neutrinos (antineutrinos), a massa do neutrino deve ser assumida como zero. A introdução da helicidade permitiu explicar, por exemplo, a violação da lei de conservação da paridade (ver § 274) no caso de interações fracas que causam o decaimento de partículas elementares e o decaimento β. Portanto, m - -múon recebe helicidade direita, m + -múon - esquerda.
Após a descoberta de um número tão grande de antipartículas, surgiu uma nova tarefa - encontrar antinúcleos, ou seja, provar a existência da antimatéria, que é construída a partir de antipartículas, assim como a matéria a partir de partículas. Os antinúcleos foram realmente descobertos. O primeiro antinúcleo, o antideuteron (um estado ligado de p̃ e ñ), foi obtido por um grupo de físicos americanos liderados por L. Lederman em 1965. Posteriormente, os núcleos de antihélio (1970) e antitrítio (1973) foram sintetizados no acelerador de Serpukhov .
Deve-se notar, entretanto, que a possibilidade de aniquilação ao encontrar partículas não permite que antipartículas existam entre as partículas por muito tempo. Portanto, para um estado estável da antimatéria, ela deve ser isolada da matéria. Se houvesse um acúmulo de antimatéria perto da parte do Universo que conhecemos, então uma poderosa radiação de aniquilação (explosões com liberação de grandes quantidades de energia) teria que ser observada. No entanto, os astrofísicos não registraram nada parecido até agora. As pesquisas realizadas em busca de antinúcleos (em última análise, antimatéria), e os primeiros sucessos alcançados nesse sentido são de fundamental importância para o aprofundamento do conhecimento da estrutura da matéria.
