Античастица - Antiparticle

Иллюстрация электрического заряда частицы (слева) и античастицы (справа). Сверху вниз; электрон /позитрон, протон /антипротон, нейтрон /антинейтрон.

В физика элементарных частиц, каждый тип частица связан с античастица с тем же масса но с противоположным физические обвинения (Такие как электрический заряд ). Например, античастица электрон это антиэлектрон (который часто называют позитрон). В то время как электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и естественным образом образуется в определенных типах радиоактивный распад. Верно и обратное: античастица позитрона - электрон.

Некоторые частицы, такие как фотон, являются их собственными античастицами. В противном случае для каждой пары партнеров-античастиц одна обозначается как нормальная частица (из которых состоят все частицы, с которыми обычно взаимодействуют), а другая (обычно с префиксом «анти-») - как античастица.

Пары частица-античастица могут уничтожать друг друга, производя фотоны; поскольку заряды частицы и античастицы противоположны, общий заряд сохраняется. Например, позитроны, образующиеся при естественном радиоактивном распаде, быстро аннигилируют с электронами, образуя пары гамма излучение, процесс, используемый в позитронно-эмиссионная томография.

Законы природы почти симметричны относительно частиц и античастиц. Например, антипротон и позитрон может сформировать антиводород атом, который, как полагают, обладает теми же свойствами, что и водород атом. Это приводит к вопросу, почему образование материи после Большого взрыва привел к тому, что Вселенная почти полностью состоит из материи, а не представляет собой половинчатую смесь материи и антивещество. Открытие нарушение паритета начислений помог пролить свет на эту проблему, показав, что эта симметрия, первоначально считавшаяся идеальной, была лишь приблизительной.

Потому что обвинять является консервированный, невозможно создать античастицу без разрушения другой частицы с таким же зарядом (как, например, в случае, когда античастицы образуются естественным путем через бета-распад или столкновение космические лучи с атмосферой Земли), или одновременным созданием обеих частиц и его античастица, которая может встречаться в ускорители частиц такой как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН.

Хотя частицы и их античастицы имеют противоположные заряды, электрически нейтральные частицы не обязательно должны быть идентичны своим античастицам. Нейтрон, например, состоит из кварки, то антинейтрон из антикварки, и они отличаются друг от друга, потому что нейтроны и антинейтроны аннигилируют друг друга при контакте. Однако другие нейтральные частицы являются собственными античастицами, например фотоны, Z⁰ бозоны,
π⁰
мезоны, и гипотетический гравитоны и некоторые гипотетические WIMPs.

История

Эксперимент

В 1932 году, вскоре после предсказания позитроны к Поль Дирак, Карл Д. Андерсон обнаружили, что столкновения космических лучей создают эти частицы в камера тумана - а детектор частиц в котором движется электроны (или позитроны) оставляют за собой следы, двигаясь через газ. Отношение электрического заряда к массе частицы можно измерить, наблюдая за радиусом закручивания ее трека в камере Вильсона в магнитное поле. Позитроны из-за направления, в котором изгибались их пути, сначала были приняты за электроны, движущиеся в противоположном направлении. Пути позитронов в камере Вильсона проходят по той же спирали, что и электрон, но вращаются в противоположном направлении по отношению к направлению магнитного поля из-за того, что они имеют одинаковую величину отношения заряда к массе, но с противоположным зарядом и, следовательно, противоположные знаковые отношения заряда к массе.

В антипротон и антинейтрон были найдены Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен в 1955 г. на Калифорнийский университет в Беркли.^[1] С тех пор в экспериментах на ускорителях частиц были созданы античастицы многих других субатомных частиц. В последние годы полные атомы антивещество собраны из антипротонов и позитронов, собранных в электромагнитных ловушках.^[2]

Теория дыр Дирака

... развитие квантовая теория поля сделали ненужным толкование античастиц как дыр, хотя это и повторяется во многих учебниках.

Стивен Вайнберг^[3]

Решения Уравнение Дирака содержал^{[требуется разъяснение ]} квантовые состояния с отрицательной энергией. В результате электрон всегда мог излучать энергию и переходить в состояние с отрицательной энергией. Хуже того, он мог продолжать излучать бесконечное количество энергии, потому что было доступно бесконечно много состояний с отрицательной энергией. Чтобы предотвратить возникновение этой нефизической ситуации, Дирак предположил, что «море» электронов с отрицательной энергией заполняет Вселенную, уже занимая все состояния с более низкой энергией, так что из-за Принцип исключения Паули, никакой другой электрон не мог попасть в них. Однако иногда одна из этих частиц с отрицательной энергией могла быть поднята из этого Море Дирака стать частицей с положительной энергией. Но, когда его подняли, он оставил после себя дыра в море, который будет действовать точно так же, как электрон положительной энергии с обратным зарядом. Эти дыры были интерпретированы Полем Дираком как «электроны с отрицательной энергией», и он по ошибке отождествил их с протоны в его статье 1930 г. Теория электронов и протонов^[4] Однако эти «электроны отрицательной энергии» оказались позитроны, и нет протоны.

Эта картина подразумевала бесконечный отрицательный заряд Вселенной - проблему, о которой знал Дирак. Дирак пытался^{[требуется разъяснение ]} утверждать, что мы воспринимаем это как нормальное состояние нулевого заряда. Еще одна трудность заключалась в различии масс электрона и протона. Дирак пытался^{[требуется разъяснение ]} утверждать, что это было из-за электромагнитного взаимодействия с морем, пока Герман Вейль доказал, что теория дырок полностью симметрична между отрицательными и положительными зарядами. Дирак также предсказал реакцию
е⁻
+
п⁺
→
γ
+
γ
, где электрон и протон аннигилируют, давая два фотона. Роберт Оппенгеймер и Игорь Тамм доказали, что это приведет к слишком быстрому исчезновению обычной материи. Год спустя, в 1931 году, Дирак изменил свою теорию и постулировал позитрон, новую частицу той же массы, что и электрон. Открытие этой частицы в следующем году сняло два последних возражения против его теории.

В рамках теории Дирака остается проблема бесконечного заряда Вселенной. Немного бозоны также есть античастицы, но поскольку бозоны не подчиняются Принцип исключения Паули (Только фермионы делать), теория дыр для них не работает. Единая интерпретация античастиц теперь доступна в квантовая теория поля, который решает обе эти проблемы, описывая антивещество как состояния с отрицательной энергией одного и того же основного поля материи, то есть частицы, движущиеся назад во времени.^[5]

Аннигиляция частица-античастица

Пример виртуального пион пара, влияющая на распространение Каон, заставляя нейтральный каон смешивание с антикаоном. Это пример перенормировка в квантовая теория поля - теория поля необходима из-за изменения числа частиц.

Если частица и античастица находятся в соответствующих квантовых состояниях, они могут аннигилировать друг друга и производить другие частицы. Такие реакции как
е⁻
+
е⁺
→
γ

γ
(двухфотонная аннигиляция пары электрон-позитрон) являются примером. Однофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары,
е⁻
+
е⁺
→
γ
, не может возникнуть в свободном пространстве, потому что невозможно сохранить энергию и импульс вместе в этом процессе. Однако в кулоновском поле ядра трансляционная инвариантность нарушается и может произойти однофотонная аннигиляция.^[6] Обратная реакция (в свободном пространстве, без атомного ядра) также невозможна по этой причине. В квантовой теории поля этот процесс допускается только как промежуточное квантовое состояние на время, достаточно короткое, чтобы нарушение сохранения энергии могло быть компенсировано принцип неопределенности. Это открывает путь к рождению или аннигиляции виртуальных пар, в которых одночастичное квантовое состояние может колебаться в двухчастичное состояние и обратно. Эти процессы важны в состояние вакуума и перенормировка квантовой теории поля. Это также открывает путь для смешивания нейтральных частиц с помощью процессов, подобных изображенному здесь, который является сложным примером перенормировка массы.

Характеристики

Квантовые состояния частицы и античастицы меняются местами при совместном применении зарядовое сопряжение ${displaystyle C}$ , паритет ${displaystyle P}$ и разворот времени ${displaystyle T}$ . ${displaystyle C}$ и ${displaystyle P}$ линейные унитарные операторы, ${displaystyle T}$ антилинейна и антиунитарна, ${displaystyle langle Psi | T, Phi angle = langle Phi | T ^ {- 1}, Psi angle}$ . Если ${displaystyle | p, sigma, nangle}$ обозначает квантовое состояние частицы ${displaystyle n}$ с импульсом ${displaystyle p}$ и вращать ${displaystyle J}$ компонент которого в z-направлении равен ${displaystyle sigma}$ , то есть

{displaystyle CPT | p, sigma, nangle = (-1) ^ {J-sigma} | p, -sigma, n ^ {c} angle,}

куда ${displaystyle n ^ {c}}$ обозначает состояние зарядового сопряжения, то есть античастицу. В частности, массивная частица и ее античастица трансформируются при одном и том же неприводимое представление из Группа Пуанкаре что означает, что античастица имеет одинаковую массу и тот же спин.

Если ${displaystyle C}$ , ${displaystyle P}$ и ${displaystyle T}$ можно определить отдельно для частиц и античастиц, тогда

{displaystyle T | p, sigma, nangle propto | -p, -sigma, nangle,}

{displaystyle CP | p, sigma, nangle propto | -p, sigma, n ^ {c} angle,}

{displaystyle C | p, sigma, nangle propto | p, sigma, n ^ {c} angle,}

где знак пропорциональности указывает на то, что с правой стороны может быть фаза.

В качестве ${displaystyle CPT}$ антикоммутацию с обвинениями, ${displaystyle CPT, Q = -Q, CPT}$ , частица и античастица имеют противоположные электрические заряды q и -q.

Квантовая теория поля

В этом разделе использованы идеи, язык и обозначения каноническое квантование из квантовая теория поля.

Можно попробовать квантовать электрон поле без смешивания операторов аннигиляции и создания, написав

{displaystyle psi (x) = sum _ {k} u_ {k} (x) a_ {k} e ^ {- iE (k) t} ,,}

где мы используем символ k для обозначения квантовых чисел п и σ предыдущего раздела и знак энергии, E (k), и а_k обозначает соответствующие операторы уничтожения. Конечно, поскольку мы имеем дело с фермионы, мы должны, чтобы операторы удовлетворяли каноническим антикоммутационным соотношениям. Однако если теперь записать Гамильтониан

{displaystyle H = sum _ {k} E (k) a_ {k} ^ {dagger} a_ {k} ,,}

тогда сразу видно, что математическое ожидание ЧАС не обязательно быть положительным. Это потому что E (k) может иметь любой знак, а комбинация операторов создания и уничтожения имеет математическое ожидание 1 или 0.

Таким образом, необходимо ввести зарядовое сопряжение античастица поле, с собственными операторами создания и уничтожения, удовлетворяющими соотношениям

{displaystyle b_ {kprime} = a_ {k} ^ {dagger} mathrm {и} b_ {kprime} ^ {dagger} = a_ {k} ,,}

куда k имеет то же самое п, а напротив σ и знака энергии. Тогда можно переписать поле в виде

{displaystyle psi (x) = sum _ {k _ {+}} u_ {k} (x) a_ {k} e ^ {- iE (k) t} + sum _ {k _ {-}} u_ {k} ( x) b_ {k} ^ {dagger} e ^ {- iE (k) t} ,,}

где первая сумма относится к состояниям с положительной энергией, а вторая - к состояниям с отрицательной энергией. Энергия становится

{displaystyle H = sum _ {k _ {+}} E_ {k} a_ {k} ^ {dagger} a_ {k} + sum _ {k _ {-}} | E (k) | b_ {k} ^ {dagger } b_ {k} + E_ {0} ,,}

куда E₀ - бесконечная отрицательная константа. В состояние вакуума определяется как состояние без частицы или античастицы, т.е., ${displaystyle a_ {k} | 0angle = 0}$ и ${displaystyle b_ {k} | 0angle = 0}$ . Тогда энергия вакуума ровно E₀. Поскольку все энергии измеряются относительно вакуума, ЧАС положительно определен. Анализ свойств а_k и б_k показывает, что один является оператором аннигиляции для частиц, а другой - для античастиц. Это случай фермион.

Такой подход обусловлен Владимир Фок, Венделл Фурри и Роберт Оппенгеймер. Если квантовать реальный скалярное поле, тогда обнаруживается, что существует только один вид оператора уничтожения; поэтому реальные скалярные поля описывают нейтральные бозоны. Поскольку комплексные скалярные поля допускают два различных типа операторов уничтожения, которые связаны сопряжением, такие поля описывают заряженные бозоны.

Интерпретация Фейнмана – Штюкельберга

Рассматривая распространение мод отрицательной энергии электронного поля назад во времени, Эрнст Штюкельберг достигли наглядного понимания того факта, что частица и античастица имеют равную массу м и вращать J но противоположные обвинения q. Это позволило ему переписать теория возмущений именно в виде диаграмм. Ричард Фейнман позже дал независимый систематический вывод этих диаграмм из формализма частиц, и теперь они называются Диаграммы Фейнмана. Каждая линия диаграммы представляет собой частицу, движущуюся вперед или назад во времени. Этот метод является сегодня наиболее распространенным методом вычисления амплитуд в квантовой теории поля.

Поскольку эта картина была впервые разработана Штюкельбергом,^[7] и приобрела свою современную форму в работах Фейнмана,^[8] это называется Интерпретация Фейнмана – Штюкельберга античастиц в честь обоих ученых.

Смотрите также

Примечания

^ «Нобелевская премия по физике 1959 года».
^ "Атомы антивещества, впервые захваченные в ловушку -" Большое дело"". 19 ноября 2010 г.
^ Вайнберг, Стив (1995-06-30). Квантовая теория поля, Том 1: Основы. стр.14. ISBN 0-521-55001-7.
^ Дирак, Поль (1930). «Теория электронов и протонов». Труды Королевского общества А. 126 (801): 360–365. Bibcode:1930RSPSA.126..360D. Дои:10.1098 / rspa.1930.0013.
^ Ланкастер, Том; Blundell, Стивен Дж .; Бланделл, Стивен (апрель 2014 г.). Квантовая теория поля для одаренного любителя. ОУП Оксфорд. п. 61. ISBN 9780199699339.
^ Sodickson, L .; У. Боуман; Дж. Стивенсон (1961). «Одноквантовая аннигиляция позитронов». Физический обзор. 124 (6): 1851–1861. Bibcode:1961ПхРв..124.1851С. Дои:10.1103 / PhysRev.124.1851.
^ Штюкельберг, Эрнст (1941), "Значение духа пропре андулатории механического". Helv. Phys. Acta 14С. 322–323.
^ Фейнман, Ричард П. (1948). «Пространственно-временной подход к нерелятивистской квантовой механике» (PDF). Обзоры современной физики. 20 (2): 367–387. Bibcode:1948РвМП ... 20..367Ф. Дои:10.1103 / RevModPhys.20.367.

Внешняя ссылка

[1] «Нобелевская премия по физике 1959 года».

[2] "Атомы антивещества, впервые захваченные в ловушку -" Большое дело"". 19 ноября 2010 г.

[3] Вайнберг, Стив (1995-06-30). Квантовая теория поля, Том 1: Основы. стр.14. ISBN 0-521-55001-7.

[4] Дирак, Поль (1930). «Теория электронов и протонов». Труды Королевского общества А. 126 (801): 360–365. Bibcode:1930RSPSA.126..360D. Дои:10.1098 / rspa.1930.0013.

[5] Ланкастер, Том; Blundell, Стивен Дж .; Бланделл, Стивен (апрель 2014 г.). Квантовая теория поля для одаренного любителя. ОУП Оксфорд. п. 61. ISBN 9780199699339.

[6] Sodickson, L .; У. Боуман; Дж. Стивенсон (1961). «Одноквантовая аннигиляция позитронов». Физический обзор. 124 (6): 1851–1861. Bibcode:1961ПхРв..124.1851С. Дои:10.1103 / PhysRev.124.1851.

[7] Штюкельберг, Эрнст (1941), "Значение духа пропре андулатории механического". Helv. Phys. Acta 14С. 322–323.

[8] Фейнман, Ричард П. (1948). «Пространственно-временной подход к нерелятивистской квантовой механике» (PDF). Обзоры современной физики. 20 (2): 367–387. Bibcode:1948РвМП ... 20..367Ф. Дои:10.1103 / RevModPhys.20.367.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]