Античастица

редактировать

Маленький локализованный объект; редкий тип материи

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

In физика элементарных частиц, каждый тип частицы связан с античастицей с той же массой, но с противоположными физическими зарядами ( например электрический заряд ). Например, античастицей электрона является антиэлектрон (который часто называют позитроном). В то время как электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и образуется естественным образом при определенных типах радиоактивного распада. Верно и обратное: античастица позитрона - электрон.

Некоторые частицы, такие как фотон, являются 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 аннигилировать 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-лучей, процесс, используемый в позитронно-эмиссионной томографии.

Законы природы почти симметричны относительно частиц и античастиц. Например, антипротон и позитрон могут образовывать антиводород атом, который, как полагают, имеет те же свойства, что и атом водорода. Это приводит к вопросу о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к тому, что Вселенная почти полностью состоит из материи, а не представляет собой смесь наполовину материи и антивещества. Открытие нарушения зарядовой четности помогло пролить свет на эту проблему, показав, что эта симметрия, изначально считавшаяся идеальной, была лишь приблизительной.

Поскольку заряд сохраняется, невозможно создать античастицу без разрушения другой частицы с таким же зарядом (как, например, в случае, когда античастицы образуется естественным путем посредством бета-распада или столкновения космических лучей с атмосферой Земли), или путем одновременного создания частицы и ее античастицы, что может происходить в ускорителях частиц , например, 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 кварков, антинейтрона из антикварков, и они отличаются друг от друга, потому что нейтроны и антинейтроны аннигилируют друг друга при контакт. Однако другие нейтральные частицы являются своими собственными античастицами, например фотоны, Z-бозоны, . π. мезоны, а также гипотетические гравитоны и некоторые гипотетические вимпы.

Содержание

1 История
- 1.1 Эксперимент
- 1.2 Теория дырки Дирака
2 Аннигиляция частиц и античастиц
3 Свойства
4 Квантовая теория поля
- 4.1 Интерпретация Фейнмана – Штюкельберга
5 См. Также
6 Примечания
7 Ссылки
8 Внешняя ссылка

История

Эксперимент

В 1932 году, вскоре после предсказания позитронов от Пола Дирака, Карла Д. Андерсона обнаружили, что столкновения космических лучей создают эти частицы в камере Вильсона - детекторе частиц в котором движущиеся электроны (или позитроны) оставляют за собой следы при движении через газ. Отношение электрического заряда к массе частицы можно измерить, наблюдая за радиусом закручивания ее дорожки в камере Вильсона в магнитном 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.

антипротон и антинейтрон были обнаружены Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом в 1955 году в университете . Калифорнии, Беркли. С тех пор в экспериментах на ускорителях частиц были созданы античастицы многих других субатомных частиц. В последние годы целые атомы антивещества были собраны из антипротонов и позитронов, собранных в электромагнитные ловушки.

Теория дыр Дирака

... развитие квантовой теории. Теория поля сделала ненужной интерпретацию античастиц как дыр, хотя она и повторяется во многих учебниках.

Стивен Вайнберг

Решения уравнения Дирака содержали 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 принципа исключения Паули нет в них мог упасть другой электрон. Иногда, однако, одну из этих частиц с отрицательной энергией можно было поднять из этого моря Дирака и превратить в частицу с положительной энергией. Но когда его подняли, он оставил бы в море дыру , которая действовала бы точно так же, как электрон положительной энергии с обратным зарядом. Эти дырки были интерпретированы Полом Дираком как «электроны с отрицательной энергией», и он по ошибке отождествил их с протонами в своей статье 1930 года «Теория электронов и протонов». быть позитронами, а не протонами.

Эта картина подразумевала бесконечный отрицательный заряд Вселенной - проблему, о которой знал Дирак. Дирак пытался утверждать, что мы будем воспринимать это как нормальное состояние нулевого заряда. Еще одна трудность заключалась в различии масс электрона и протона. Дирак пытался доказать, что это произошло из-за электромагнитного взаимодействия с морем, пока Герман Вейль не доказал, что теория дыр полностью симметрична между отрицательными и положительными зарядами. Дирак также предсказал реакцию. e. +. p. →. γ. +. γ., в которой электрон и протон аннигилируют с образованием двух фотонов. 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. Некоторые бозоны также имеют античастицы, но поскольку бозоны не подчиняются принципу исключения Паули (только фермионы ), теория дырок для них не работает. Единая интерпретация античастиц теперь доступна в квантовой теории поля, которая решает обе эти проблемы, описывая антивещество как состояния с отрицательной энергией одного и того же основного поля материи, то есть частиц, движущихся назад во времени.

Аннигиляция частица-античастица

Пример виртуальной пары пионов, которая влияет на распространение каона, заставляя нейтральный каон смешиваться с антикаоном. Это пример перенормировки в квантовой теории поля - теория поля необходима из-за изменения числа частиц.

Если частица и античастица находятся в соответствующих квантовых состояниях, то они могут аннигилировать друг друга и производить другие частицы. Примером могут служить такие реакции, как. e. +. e. →. γ.. γ. (двухфотонная аннигиляция пары электрон-позитрон). Однофотонная аннигиляция пары электрон-позитрон,. e. +. e. →. γ., не может происходить в свободном пространстве, потому что в этом процессе невозможно одновременно сохранить энергию и импульс. Однако в кулоновском поле ядра трансляционная инвариантность нарушается, и может происходить однофотонная аннигиляция. Обратная реакция (в свободном пространстве, без ядра атома) также невозможна по этой причине. В квантовой теории поля этот процесс разрешен только в качестве промежуточного квантового состояния на время, достаточно короткое, чтобы нарушение закона сохранения энергии могло быть компенсировано принципом неопределенности. Это открывает путь для образования или аннигиляции виртуальных пар, при которых одночастичное квантовое состояние может флуктуировать в двухчастичное состояние и обратно. Эти процессы важны в вакуумном состоянии и перенормировке квантовой теории поля. Это также открывает путь для смешивания нейтральных частиц посредством процессов, подобных изображенному здесь, который является сложным примером перенормировки массы.

Свойства

Квантовые состояния частицы и античастицы меняются местами: комбинированное применение зарядового сопряжения $C {\ displaystyle C}$ $C$ , parity $P {\ displaystyle P}$ $P$ и обращения времени $T {\ displaystyle T}$ $T$ . $C {\ displaystyle C}$ $C$ и $P {\ displaystyle P}$ $P$ - линейные унитарные операторы, $T {\ displaystyle T}$ $T$ антилинейно и антиунитарно, $⟨Ψ | T Φ⟩ = ⟨Φ | T - 1 Ψ⟩ {\ Displaystyle \ langle \ Psi | T \, \ Phi \ rangle = \ langle \ Phi | T ^ {- 1} \, \ Psi \ rangle}$ ${\ displaystyle \ langle \ Psi | T \, \ Phi \ rangle = \ langle \ Phi | T ^ {- 1} \, \ Psi \ rangle}$ . Если $| p, σ, n⟩ {\ displaystyle | p, \ sigma, n \ rangle}$ $| p, \ sigma, n \ rangle$ обозначает квантовое состояние частицы $n {\ displaystyle n}$ $n$ с импульсом $p {\ displaystyle p}$ $p$ и вращение $J {\ displaystyle J}$ $J$ , компонент которого в z-направлении равен $σ {\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ , то есть

CPT | p, σ, n⟩ = (- 1) J - σ | п, - σ, nc⟩, {\ displaystyle CPT \ | p, \ sigma, n \ rangle \ = \ (-1) ^ {J- \ sigma} \ | p, - \ sigma, n ^ {c} \ rangle,}

CPT \ | p, \ sigma, n \ rangle \ = \ (-1) ^ {J- \ sigma} \ | p, - \ сигма, n ^ {c} \ rangle,

где $nc {\ displaystyle n ^ {c}}$ ${\ displaystyle n ^ {c}}$ обозначает состояние зарядового сопряжения, то есть античастицу. В частности, массивная частица и ее античастица преобразуются в соответствии с одним и тем же неприводимым представлением группы Пуанкаре, что означает, что античастица имеет одинаковую массу и одинаковый спин.

Если $C {\ displaystyle C}$ $C$ , $P {\ displaystyle P}$ $P$ и $T {\ displaystyle T}$ $T$ можно определить отдельно на частицах и античастицах, тогда

T | p, σ, n⟩ ∝ | - p, - σ, n⟩, {\ displaystyle T \ | p, \ sigma, n \ rangle \ \ propto \ | -p, - \ sigma, n \ rangle,}

T \ | p, \ sigma, n \ rangle \ \ propto \ | -p, - \ sigma, n \ rangle,

C P | p, σ, n⟩ ∝ | - p, σ, n с⟩, {\ displaystyle CP \ | p, \ sigma, n \ rangle \ \ propto \ | -p, \ sigma, n ^ {c} \ rangle,}

CP \ | p, \ sigma, n \ rangle \ \ propto \ | -p, \ sigma, n ^ {c} \ rangle,

C | p, σ, n⟩ ∝ | p, σ, nc⟩, {\ displaystyle C \ | p, \ sigma, n \ rangle \ \ propto \ | p, \ sigma, n ^ {c} \ rangle,}

C \ | p, \ sigma, n \ rangle \ \ propto \ | p, \ sigma, n ^ {c} \ rangle,

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

Поскольку $CPT {\ displaystyle CPT}$ ${\ displaystyle CPT}$ антикоммутируется с обвинениями, $CPTQ = - QCPT {\ displaystyle CPT \, Q = -Q \, CPT}$ ${\ displaystyle CPT \, Q = -Q \, CPT}$ , частица и античастица имеют противоположные электрические заряды q и -q.

Квантовая теория поля

Этот раздел основан на идеях, языке и обозначениях канонического квантования из квантовой теории поля.

Можно попытаться квантовать электрон поле без смешивания операторов уничтожения и создания, записав

ψ (x) = ∑ kuk (x) ake - i E (k) t, {\ displaystyle \ psi (x) = \ sum _ { k} u_ {k} (x) a_ {k} e ^ {- iE (k) t}, \,}

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

где мы используем символ k для обозначения квантовых чисел p и σ из предыдущего раздела и знак энергии E (k), а a k обозначает соответствующие операторы уничтожения. Конечно, поскольку мы имеем дело с фермионами, нам необходимо, чтобы операторы удовлетворяли каноническим антикоммутационным соотношениям. Однако, если теперь записать гамильтониан

H = ∑ k E (k) ak † ak, {\ displaystyle H = \ sum _ {k} E (k) a_ {k} ^ {\ dagger } a_ {k}, \,}

H = \ sum _ {k} E (k) a_ {k} ^ {\ кинжал} a_ {k}, \,

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

Таким образом, нужно ввести заряженно-сопряженное поле античастиц с его собственным созданием и операторы уничтожения, удовлетворяющие соотношениям

bk ′ = ak † и bk ′ † = ak, {\ displaystyle b_ {k \ prime} = a_ {k} ^ {\ dagger} \ \ mathrm {and} \ b_ {k \ prime } ^ {\ dagger} = a_ {k}, \,}

b_ {k \ prime} = a_ {k} ^ {\ dagger} \ \ mathrm {и} \ b_ {k \ prime} ^ {\ dagger} = a_ {k}, \,

где k имеет то же p, но противоположные σ и знак энергии. Тогда можно переписать поле в виде

ψ (x) = ∑ k + uk (x) ake - i E (k) t + ∑ k - uk (x) bk † e - i E (k) t, {\ 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}, \,}

\ 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

H = ∑ k + E k a k † a ​​k + ∑ k - | E (k) | bk † bk + E 0, {\ displaystyle H = \ sum _ {k _ {+}} E_ {k} a_ {k} ^ {\ dagger} a_ {k} + \ sum _ {k _ {-}} | E (k) | b_ {k} ^ {\ dagger} b_ {k} + E_ {0}, \,}

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

где E 0 - бесконечная отрицательная константа. вакуумное состояние определяется как состояние без частицы или античастицы, то есть $a k | 0⟩ знак равно 0 {\ displaystyle a_ {k} | 0 \ rangle = 0}$ $a_ {k} | 0 \ rangle = 0$ и $b k | 0⟩ знак равно 0 {\ displaystyle b_ {k} | 0 \ rangle = 0}$ $b_ {k} | 0 \ rangle = 0$ . Тогда энергия вакуума в точности равна E 0. Поскольку все энергии измеряются относительно вакуума, H является положительно определенным. Анализ свойств a k и b k показывает, что один является оператором аннигиляции для частиц, а другой - для античастиц. Это случай фермиона.

. Этот подход был разработан Владимиром Фоком, Венделлом Ферри и Робертом Оппенгеймером. Если квантовать реальное скалярное поле , то обнаружится, 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 отрицательных энергетических мод электронного поля назад во времени, Эрнст Штюкельберг достиг наглядного понимания того факта, что частица и античастица имеют одинаковую массу m и спин J, но противоположные заряды q . Это позволило ему переписать теорию возмущений именно в виде диаграмм. Ричард Фейнман позже дал независимый систематический вывод этих диаграмм из формализма частиц, и теперь они называются диаграммами 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 и приобрела свою современную форму в работах Фейнмана, она получила название интерпретации Фейнмана-Штюкельберга античастиц в честь обоих ученых.

См. Также

Викискладе есть материалы, связанные с Античастицами.

Примечания

Ссылки

Фейнман, Р.П. (1987). «Причина античастиц». У Р. П. Фейнмана; С. Вайнберг (ред.). Мемориальные лекции Дирака 1986 года. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-34000-4.
Вайнберг, С. (1995). Квантовая теория полей, Том 1: Основы. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-55001-7.