Antičestica

Parovi čestica-antičestica: 1. elektron-pozitron, 2. proton-antiproton, 3. neutron-antineutron

U fizici čestica, svaka čestica ima svoju antičesticu. Antičestice ima istu masu kao i čestica, ali ima obrnuto naelektrisanje. Izuzetak su čestice bez mase, bozoni, u koje spada na primer foton. Zanimljivo je, da čak i električno neutralne čestice, na primer neutron, nisu identične sa svojom antičesticom. U navedenom primeru, neutron je izgrađen od kvarkova, dok je antineutron izgrađen od antikvarkova.

Čestica i antičestica mogu da unište jedna drugu ukoliko se nalaze u odgovarajućem kvantnom stanju. Mogu se proizveti u raznim procesima. Ovi procesi danas se koriste u akceleratorima čestica, u cilju stvaranja novih čestica i testiranju teorije fizike čestica.

Procesi sa visokom energijom prirodno mogu da proizvedu antičesticu. Antičestice se mogu videtu u kosmičkom zračenju, kao i u određenim nuklearnim reakcijama.

Istorija

Eksperiment

Godine 1932, ubrzo nakon pojave pozitrona (Pol Dirak), Karl D. Anderson je pronašao ove čestice u sudarima, u kosmičkom zračenju . Pronađene su pomoću Vilsonove kamere tj. detektora. U ovom detektoru čestica došlo je do pomeranja elektrona ili pozitrona, pritom se vizuelno može videti putanja kojom se kreću. Kada se u detektor uvede magnetsko polje, dolazi do specifičnog kretanja svake čestice, u upravo po toj putanji se prepoznaje o kojoj čestici je reč. U slučaju elektrona i pozitrona, došlo je do zakrivljenja putanje, ali u obrnutom smeru od smera kojim bi se elektron kretao. Tako je otkriven pozitron tj. elektronova antičestica.

Antiproton i antineutron je pronašao Emilio Segre i Oven Čamberlejn 1955. godine na Barkli univerzitetu u Kaliforniji. Od tada, mnoge antičestice se koriste u akceleratorima čestica za velike eksperimente. Poslenjih godina ova grana fizike je veoma napredovala u istraživanju i detekovanju skoro svih postojećih antičestica.

Dirakova teorija rupa

... razvoj kvantne teorije polja učinio je nepotrebnim tumačenje antičestica kao praznina, iako se ono zadržava u mnogim udžbenicima.

Stiven Vajnberg

Rešenja Dirakove jednačine sadrže kvantna stanja negativne energije. Kao rezultat toga, elektron bi uvek mogao da zrači energiju i da padne u negativno energetsko stanje. Još gore, mogao bi da nastavi da zrači beskonačne količine energije, jer je na raspolaganju bilo beskonačno mnogo negativnih energetskih stanja. Da bi sprečio da se ova nefizička situacija dogodi, Dirak je predložio da „more” elektrona negativne energije ispuni univerzum, koji već zauzimaju sva stanja niže energije, tako da, zbog Paulijevog principa isključenja, nijedan drugi elektron ne može da upadne u njih. Ponekad bi, međutim, jedna od ovih čestica negativne energije mogla biti podignuta iz ovog Dirakovog mora da postane čestica pozitivne energije. Ali, kada bi se podigla, ostavila bi za sobom otvor u moru koji bi delovao tačno kao elektron pozitivne energije sa obrnutim naelektrisanjem. Ove rupe je Pol Dirak protumačio kao „elektrone negativne energije” i pogrešno ih je poistovetio sa protonima u svom radu iz 1930. Teorija elektrona i protona. Međutim, ispostavilo se da su ovi „elektroni negativne energije” pozitroni, a ne protoni.

Ova slika je implicirala beskonačno negativno naelektrisanje univerzuma - problem kojeg je Dirak bio svestan. Dirak je pokušao da argumentuje da bismo ovo shvatili kao normalno stanje nultog naelektrisanja. Druga poteškoća bila je razlika u masama elektrona i protona. Dirak je pokušao da tvrdi da je to posledica elektromagnetnih interakcija sa morem, sve dok Herman Vajl nije dokazao da je teorija otvora potpuno simetrična između negativnih i pozitivnih naelektrisanja. Dirac je takođe predvideo reakciju e− + p+ → γ + γ, gde se elektron i proton poništavaju dajući dva fotona. Robert Openhajmer i Igor Tam su, međutim, dokazali da bi to izazvalo prebrzo nestanak obične materije. Godinu dana kasnije, 1931. Dirak je modifikovao svoju teoriju i postulirao pozitron, novu česticu iste mase kao elektron. Otkriće ove čestice sledeće godine otklonilo je dve poslednje zamerke njegovoj teoriji.

U okviru Dirakove teorije ostaje problem beskonačnog naboja univerzuma. Neki bozoni takođe imaju antičestice, ali pošto se bozoni ne povinjavaju Paulijevom principu isključenja (samo fermioni to rade), teorija otvora za njih ne funkcioniše. Ujedinjeno tumačenje antičestica je sada dostupno u kvantnoj teoriji polja, koja rešava oba ova problema opisujući antimateriju kao negativna energetska stanja istog osnovnog polja materije, tj. čestice koje se kreću unazad u vremenu.

Anihilacija čestica–antičestica

Glavni članak: Anihilacija

Primer virtuelnog para piona koji utiče na širenje kaona, izazivajući mešanje neutralnog kaona sa antikaonom. Ovo je primer renormalizacije u kvantnoj teoriji polja – teorija polja je neophodna zbog promene broja čestica.

Ako su čestica i antičestica u odgovarajućim kvantnim stanjima, onda mogu da anihiliraju jedna drugu i proizvedu druge čestice. Reakcije kao što su e− + e+ → γγ (dvofotonska anihilacija para elektron-pozitron) su primer. Jednofotonska anihilacija para e− + e+ → γ, ne može se desiti u slobodnom prostoru, jer je nemoguće sačuvati energiju i impuls zajedno u ovom procesu. Međutim, u Kulonovom polju jezgro translacione invarijantnosti je narušeno i može doći do jednofotonske anihilacije. Iz tog razloga je nemoguća i obrnuta reakcija (u slobodnom prostoru, bez atomskog jezgra). U kvantnoj teoriji polja, ovaj proces je dozvoljen samo kao međukvantno stanje za vremena dovoljno kratka da se kršenje očuvanja energije može prilagoditi principu neodređenosti. Ovo otvara put za stvaranje virtuelnog para ili uništenje u kome kvantno stanje jedne čestice može fluktuirati u stanje dve čestice i nazad. Ovi procesi su važni u stanju vakuuma i renormalizaciji kvantne teorije polja. Ovo takođe otvara put za mešanje neutralnih čestica kroz procese kao što je ovaj na slici, što je komplikovan primer renormalizacije mase.

Svojstva

Kvantna stanja čestice i antičestice se zamenjuju kombinovanom primenom konjugacije naelektrisanja $C$, pariteta $P$ i vremenske inverzije $T$. $C$ i $P$ su linearni, unitarni operatori, $T$ je antilinearan i antiunitaran, $\langle \Psi |T\,\Phi \rangle =\langle \Phi |T^{-1}\,\Psi \rangle$. Ako $|p,\sigma ,n\rangle$ označava kvantno stanje čestice $n$ sa momentom $p$ i spinom $J$ čija je komponenta u z-smeru $\sigma$, zatim jedna ima

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

gde $n^{c}$ označava konjugovano stanje naelektrisanja, odnosno antičesticu. Konkretno, masivna čestica i njena antičestica se transformišu pod istom ireducibilnom reprezentacijom Poenkareove grupe, što znači da antičestica ima istu masu i isti spin.

Ako se $C$, $P$ i $T$ mogu definisati zasebno na česticama i antičesticama, onda

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

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

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

gde znak proporcionalnosti ukazuje da bi na desnoj strani mogla biti faza.

Kako se $CPT$ antikomutira sa nabojima, $CPT\,Q=-Q\,CPT$, čestica i antičestica imaju suprotna električna naelektrisanja q i -q.

Kvantna teorija polja

Ovaj odeljak se oslanja na ideje, jezik i notaciju kanonske kvantizacije kvantne teorije polja.

Polje elektrona bez mešanja operatora anihilacije i stvaranja operatora može se izraziti pisanjem

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

gde se koristi simbol k da se označe kvantni brojevi p i σ iz prethodnog odeljka i znak energije, E(k), a a_k označava odgovarajuće operatore anihilacije. Naravno, kako se radi o fermionima, potrebni su operatori koji zadovoljavaju kanonske antikomutacione relacije. Međutim, ako se sada zapiše Hamiltonijan

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

onda se odmah vidi da očekivana vrednost H ne mora biti pozitivna. To je zato što E(k) može imati bilo koji predznak, i kombinacija operatora stvaranja i poništenja ima očekivanu vrednost 1 ili 0.

Dakle, mora se uvesti polje antičestica konjugovanog naelektrisanja, sa sopstvenim operatorima stvaranja i anihilacije koji zadovoljavaju relacije

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

gde k ima isto p, i suprotno σ i znak energije. Tada se može prepisati polje u obliku

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

gde je prvi zbir preko pozitivnih energetskih stanja, a drugi preko stanja negativne energije. Energija postaje

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

gde je E₀ infinitivna negativna konstanta. Vakuumsko stanje se definiše kao stanje bez čestice ili antičestice, tj. $a_{k}|0\rangle =0$ i $b_{k}|0\rangle =0$. Tada je energija vakuuma tačno E₀. Pošto se sve energije mere u odnosu na vakuum, H je pozitivno određen. Analiza osobina a_k i b_k pokazuje da je jedan operator anihilacije za čestice, a drugi za antičestice. Ovo je slučaj fermiona.

Fejnman–Štukelbergova interpretacija

Razmatrajući propagaciju negativnih energetskih modova elektronskog polja unazad u vremenu, Ernst Štukelberg je došao do slikovitog razumevanja činjenice da čestica i antičestica imaju jednaku masu m i spin J, ali suprotna naelektrisanja q. To mu je omogućilo da prepiše teoriju perturbacije upravo u obliku dijagrama. Ričard Fajnman je kasnije dao nezavisnu sistematsku derivaciju ovih dijagrama iz formalizma čestica, i oni se sada nazivaju Fajnmanovi dijagrami. Svaka linija dijagrama predstavlja česticu koja se širi unazad ili unapred u vremenu. Ova tehnika je danas najrasprostranjenija metoda izračunavanja amplituda u kvantnoj teoriji polja.

Pošto je ovu sliku prvi razvio Štukelberg, a svoju modernu formu je stekla u Fajnmanovom radu, ona se naziva Fejnman-Štukelbergova interpretacija antičestica u čast oba naučnika.

Literatura

• Feynman, R. P. (1987). „The reason for antiparticles”. Ur.: R. P. Feynman; S. Weinberg. The 1986 Dirac memorial lectures. Cambridge University Press. ISBN 0-521-34000-4. 
• Weinberg, S. (1995). The Quantum Theory of Fields, Volume 1: Foundations. Cambridge University Press. ISBN 0-521-55001-7. 
• Klempt, E.; Batty, C.; Richard, J.-M. (2005). „The antinucleon–nucleon interaction at low energy: Annihilation dynamics”. Physics Reports. 413 (4–5): 197—317. Bibcode:2005PhR...413..197K. S2CID 119362276. arXiv:hep-ex/0501020 . doi:10.1016/j.physrep.2005.03.002. 
• Chen, B.; et al. (1992). „Neutron yields and angular distributions produced in antiproton annihilation at rest in uranium”. Physical Review C. 45 (5): 2332—2337. Bibcode:1992PhRvC..45.2332C. PMID 9967995. doi:10.1103/PhysRevC.45.2332. 
• Kragh, H. (1999). Quantum Generations : A history of physics in the twentieth century. Princeton University Press. ISBN 0-691-01206-7. 

Spoljašnje veze

• „Antimatter”. Lawrence Berkeley National Laboratory. Arhivirano iz originala 23. 8. 2008. g. Pristupljeno 3. 9. 2008. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• „The Standard Model – Particle decays and annihilations”. The Particle Adventure: The Fundamentals of Matter and Force. Lawrence Berkeley National Laboratory. Pristupljeno 17. 10. 2011. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Cossairt, D. (29. 6. 2001). „Radiation from particle annihilation”. Fermilab. Pristupljeno 17. 10. 2011. CS1 održavanje: Format datuma (veza)