Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Көрші зарядтары бар бөлшектер
Particle with opposite charges
Бөлшек физикасында, "қалыпты" материяның (антиматерияға қарама-қарсы) әрбір түрі бірдей массасы бар, бірақ қарама-қарсы физикалық зарядтары бар (мысалы, электр заряды) антибөлшекке байланысты. Мысалы, электронның антибөлшегі – позитрон (антиэлектрон деп те аталады). Электронның теріс электр заряды болса, позитронның оң электр заряды бар және ол кейбір радиоактивті ыдырау түрлерінде табиғи түрде пайда болады. Сол сияқты, позитронның антибөлшегі – электрон. Кейбір бөлшектер, мысалы, фотондар, өздерінің антибөлшектері болып табылады. Басқа жағдайларда, антибөлшектер жұбының біреуі қалыпты бөлшек деп белгіленеді (көбінесе күнделікті өмірде кездесетін материяда болатын), ал екіншісіне (көбінесе "анти" префиксі қосылады) антибөлшек деп аталады. Бөлшек-антибөлшек жұптары бір-бірін жойып, фотондарды тудыруы мүмкін; бөлшек пен антибөлшектің зарядтары қарама-қарсы болғандықтан, жалпы заряд сақталады. Мысалы, табиғи радиоактивті ыдырау кезінде пайда болатын позитрондар электрондармен жылдам жойылып, гамма сәулелерінің жұбын тудырады, бұл процесс позитрон-эмиссиялық томографияда қолданылады. Табиғат заңдары бөлшектер мен антибөлшектерге қатысты дерлік толық симметриялы. Мысалы, антипротон мен позитрон сутек атомымен бірдей қасиеттерге ие деп есептелетін антисутек атомын құрауы мүмкін. Бұл сұрақ тудырады: неге Ұлы Жарқыннан кейін материяның пайда болуы материя мен антиматерияның тең бөлісінен емес, негізінен материядан тұратын ғаламға әкелді? Зарядтық паритет бұзылуының табылуы осы мәселеге жарық түсіруге көмектесті, өйткені бұл симметрия, бастапқыда мінсіз деп есептелген, тек шамамен ғана екені анықталды. Ұлы Жарқыннан кейін материяның қалай пайда болуы ғаламның толығымен материядан тұратын болуына әкелді деген сұрақ әлі де жауапсыз, ал қазіргі түсіндірмелер толыққанды қанағаттандырмайды. Заряд сақталғандықтан, сол зарядты басқа бөлшекті жоймастан антибөлшекті жасау мүмкін емес (мысалы, антибөлшектер бета ыдырауы немесе ғарыштық сәулелердің Жер атмосферасымен соқтығысуы арқылы табиғи түрде пайда болған жағдайда) немесе бөлшекті және оның антибөлшегін бірдей жасау (жұптарды өндіру), бұл CERN-дегі Ұлы адрондық коллайдер сияқты бөлшектерді үдеткіштерінде жүзеге асыруға болады. Бөлшектер мен олардың антибөлшектері тең және қарама-қарсы зарядтарға ие, сондықтан зарядталмаған бөлшектер де зарядталмаған антибөлшектерді тудырады. Көп жағдайларда антибөлшек пен бөлшек бір-бірімен сәйкес келеді: фотондар, Z0 бозондары, мезондар және гипотетикалық гравитондар мен кейбір гипотетикалық WIMP-тердің жұптары өзін-өзі жояды. Дегенмен, электрлік бейтарап бөлшектер міндетті түрде антибөлшектерімен бірдей болуы керек емес: мысалы, нейтрон мен антинейтрон ерекшеленеді.
In particle physics, every type of particle of "ordinary" matter (as opposed to antimatter) is associated with an antiparticle with the same mass but with opposite physical charges (such as electric charge). For example, the antiparticle of the electron is the positron (also known as an antielectron). While the electron has a negative electric charge, the positron has a positive electric charge, and is produced naturally in certain types of radioactive decay. The opposite is also true: the antiparticle of the positron is the electron. Some particles, such as the photon, are their own antiparticle. Otherwise, for each pair of antiparticle partners, one is designated as the normal particle (the one that occurs in matter usually interacted with in daily life). The other (usually given the prefix "anti ") is designated the antiparticle. Particle–antiparticle pairs can annihilate each other, producing photons; since the charges of the particle and antiparticle are opposite, total charge is conserved. For example, the positrons produced in natural radioactive decay quickly annihilate themselves with electrons, producing pairs of gamma rays, a process exploited in positron emission tomography. The laws of nature are very nearly symmetrical with respect to particles and antiparticles. For example, an antiproton and a positron can form an antihydrogen atom, which is believed to have the same properties as a hydrogen atom. This leads to the question of why the formation of matter after the Big Bang resulted in a universe consisting almost entirely of matter, rather than being a half and half mixture of matter and antimatter. The discovery of charge parity violation helped to shed light on this problem by showing that this symmetry, originally thought to be perfect, was only approximate. The question about how the formation of matter after the Big Bang resulted in a universe consisting almost entirely of matter remains an unanswered one, and explanations so far are not truly satisfactory, overall. Because charge is conserved, it is not possible to create an antiparticle without either destroying another particle of the same charge (as is for instance the case when antiparticles are produced naturally via beta decay or the collision of cosmic rays with Earth's atmosphere), or by the simultaneous creation of both a particle and its antiparticle (pair production), which can occur in particle accelerators such as the Large Hadron Collider at CERN. Particles and their antiparticles have equal and opposite charges, so that an uncharged particle also gives rise to an uncharged antiparticle. In many cases, the antiparticle and the particle coincide: pairs of photons, Z0 bosons, mesons, and hypothetical gravitons and some hypothetical WIMPs all self annihilate. However, electrically neutral particles need not be identical to their antiparticles: for example, the neutron and antineutron are distinct.
Тәжірибе
1932 жылы Пол Дирак позитрондарды болжағаннан кейін көп ұзамай Карл Д. Андерсон ғарыштық сәулелердің соқтығысуы бұлтты камерада – қозғалатын электрондар (немесе позитрондар) газ арқылы өте қозғалғанда іздер қалдыратын бөлшектерді анықтағыш құралда осы бөлшектерді тудыратынын анықтады. Бөлшектің электр заряды мен массасының қатынасын магнит өрісіндегі бұлтты камерадағы оның траекториясының иілу радиусын бақылап өлшеуге болады. Позитрондардың траекториясының иілу бағытының ерекшелігіне байланысты, олар бастапқыда қарама-қарсы бағытта қозғалатын электрондар деп жаңылыстырылды. Бұлтты камерадағы позитрон траекториялары электрон сияқты спиральді жолды құрайды, бірақ зарядтың массаға қатынасы бірдей болғасымен, кері зарядқа ие болғандықтан магнит өрісі бағытына қатысты кері бағытта айналады, демек, зарядтың массаға қатынасы да кері шамалы болады. 1955 жылы Эмилио Сегре мен Оуэн Чемберлен Калифорния университетінде (Беркли) антипротон мен антинейтронды тапты. Содан бері көптеген басқа субатомдық бөлшектердің антибөлшектері бөлшектер үдеткіштеріндегі эксперименттерде жасалды. Соңғы жылдары антипротон мен позитрондардан антиматерияның толық атомдары құрастырылып, электромагниттік тұзақтарға жиналды.
In 1932, soon after the prediction of positrons by Paul Dirac, Carl D. Anderson found that cosmic ray collisions produced these particles in a cloud chamber – a particle detector in which moving electrons (or positrons) leave behind trails as they move through the gas. The electric charge to mass ratio of a particle can be measured by observing the radius of curling of its cloud chamber track in a magnetic field. Positrons, because of the direction that their paths curled, were at first mistaken for electrons travelling in the opposite direction. Positron paths in a cloud chamber trace the same helical path as an electron but rotate in the opposite direction with respect to the magnetic field direction due to their having the same magnitude of charge to mass ratio but with opposite charge and, therefore, opposite signed charge to mass ratios. The antiproton and antineutron were found by Emilio Segrè and Owen Chamberlain in 1955 at the University of California, Berkeley. Since then, the antiparticles of many other subatomic particles have been created in particle accelerator experiments. In recent years, complete atoms of antimatter have been assembled out of antiprotons and positrons, collected in electromagnetic traps.
Дирак тесігі теориясы
Дирак теңдеуінің шешімдері теріс энергетикалық кванттық күйлерді қамтиды. Осының салдарынан электрон энергияны сәулелендіріп, теріс энергетикалық күйге түсуі мүмкін. Жағдай одан да нашар, ол теріс энергетикалық күйлердің саны шексіз болғандықтан, шексіз мөлшерде энергияны сәулелендіруді тоқтатусыз жалғастыра беретін еді. Мұндай физикалық емес жағдайдың алдын алу үшін Дирак ғаламды теріс энергетикалық электрондардан тұратын «теңіз» толтырады деп ұсынды, бұл төменгі энергетикалық күйлердің барлығын алдын ала алып қойды. Сөйтіп, Паулидің тыйым салу принципіне сәйкес, басқа электрон оларға түсе алмайтын еді. Бірақ кейде осы теріс энергетикалық бөлшектердің бірі Дирак теңізінен шығып, оң энергетикалық бөлшекке айналуы мүмкін. Бірақ шыққанда, ол теңізде кері зарядты оң энергетикалық электрон сияқты әрекет ететін тесік қалдыратын еді. Пол Дирак осы тесіктерді «жағымсыз энергиялы электрондар» деп түсіндірді және 1930 жылғы «Электрондар мен протондар теориясы» атты мақаласында оларды қате түрде протондармен теңестірді. Алайда, бұл «жағымсыз энергиялы электрондар» протон емес, позитрон екені анықталды. Бұл картина Дирактың білетін ғаламның шексіз теріс заряды мәселесін білдірді. Дирак бұл жағдайды зарядтың қалыпты жағдайы ретінде қабылдауға тырысты. Тағы бір қиындық – электрон мен протонның массаларының айырмашылығы. Дирак бұл теңізбен электромагниттік өзара әрекеттесудің салдары екенін дәлелдеуге тырысты, бірақ Герман Вейль тесіктер теориясының теріс және оң зарядтар арасында толық симметриялы екенін көрсетті. Дирак сондай-ақ + → + реакциясын болжады, онда электрон мен протон жойылғанда екі фотон пайда болады. Алайда Роберт Оппенгеймер мен Игорь Тамм бұл жағдайда әдеттегі материяның тым жылдам жойылатынын дәлелдеді. Бір жыл өткен соң, 1931 жылы Дирак өзінің теориясын түзетіп, электронмен бірдей массасы бар жаңа бөлшек – позитронның бар екенін жорамалдады. Келесі жылы осы бөлшектің табылуы оның теориясына қарсылықтың соңғы екі себебін жойды. Дирактың теориясында ғаламның шексіз заряды мәселесі әлі де шешілмеген күйде қалды. Кейбір бозондарда да антибөлшектер бар, бірақ бозондар Паулидің тыйым салу принципіне бағынбайды (тек фермиондар ғана бағынады), сондықтан олар үшін тесіктер теориясы жұмыс істемейді. Антибөлшектердің біртұтас түсіндірмесі қазір кванттық өріс теориясында бар, ол антиматерияны сол негізгі материя өрісінің теріс энергетикалық күйлері ретінде сипаттау арқылы осы екі мәселені де шешеді, яғни уақыт бойынша кері бағытта қозғалатын бөлшектер.
Solutions of the Dirac equation contain negative energy quantum states. As a result, an electron could always radiate energy and fall into a negative energy state. Even worse, it could keep radiating infinite amounts of energy because there were infinitely many negative energy states available. To prevent this unphysical situation from happening, Dirac proposed that a "sea" of negative energy electrons fills the universe, already occupying all of the lower energy states so that, due to the Pauli exclusion principle, no other electron could fall into them. Sometimes, however, one of these negative energy particles could be lifted out of this Dirac sea to become a positive energy particle. But, when lifted out, it would leave behind a hole in the sea that would act exactly like a positive energy electron with a reversed charge. These holes were interpreted as "negative energy electrons" by Paul Dirac and mistakenly identified with protons in his 1930 paper A Theory of Electrons and Protons However, these "negative energy electrons" turned out to be positrons, and not protons. This picture implied an infinite negative charge for the universea problem of which Dirac was aware. Dirac tried to argue that we would perceive this as the normal state of zero charge. Another difficulty was the difference in masses of the electron and the proton. Dirac tried to argue that this was due to the electromagnetic interactions with the sea, until Hermann Weyl proved that hole theory was completely symmetric between negative and positive charges. Dirac also predicted a reaction + → + , where an electron and a proton annihilate to give two photons. Robert Oppenheimer and Igor Tamm, however, proved that this would cause ordinary matter to disappear too fast. A year later, in 1931, Dirac modified his theory and postulated the positron, a new particle of the same mass as the electron. The discovery of this particle the next year removed the last two objections to his theory. Within Dirac's theory, the problem of infinite charge of the universe remains. Some bosons also have antiparticles, but since bosons do not obey the Pauli exclusion principle (only fermions do), hole theory does not work for them. A unified interpretation of antiparticles is now available in quantum field theory, which solves both these problems by describing antimatter as negative energy states of the same underlying matter field, i. e. particles moving backwards in time.
Бөлшектердің антипөлшектерді жоюы
Егер бөлшек және антибөлшектер тиісті кванттық күйде болса, олар бір-бірін жойып, басқа бөлшектерді тудыра алады. + → (электрон-позитрон жұбының екі фотонға жойылуы) сияқты реакциялар осыған мысал. Электрон-позитрон жұбының бір фотонға жойылуы + → , бос кеңістікте мүмкін емес, себебі бұл процесте энергия мен импульс бірге сақталуы мүмкін емес. Дегенмен, ядроның Кулон өрісінде трансляциялық инварианттылық бұзылады және бір фотонға жойылу процесі жүзеге асуы мүмкін. Кері реакция (бос кеңістікте, атом ядросысыз) да осы себепті мүмкін емес. Кванттық өріс теориясында бұл процесс тек энергия сақталу принципін бұзуға мүмкіндік беретін, өте қысқа уақыт ішіндегі аралық кванттық күй ретінде ғана рұқсат етіледі. Бұл виртуалды жұптардың пайда болуына немесе жойылуына жол ашады, онда бір бөлшектің кванттық күйі екі бөлшектің күйіне және кері ауысуы мүмкін. Бұл процестер вакуумдық күйде және кванттық өріс теориясын нормалауда маңызды рөл атқарады. Сондай-ақ, бұл бейтарап бөлшектердің араласуына мүмкіндік береді, мысалы, осы суретте көрсетілгендей, бұл массаны нормалаудың күрделі мысалы.
If a particle and antiparticle are in the appropriate quantum states, then they can annihilate each other and produce other particles. Reactions such as + → (the two photon annihilation of an electron positron pair) are an example. The single photon annihilation of an electron positron pair, + → , cannot occur in free space because it is impossible to conserve energy and momentum together in this process. However, in the Coulomb field of a nucleus the translational invariance is broken and single photon annihilation may occur. The reverse reaction (in free space, without an atomic nucleus) is also impossible for this reason. In quantum field theory, this process is allowed only as an intermediate quantum state for times short enough that the violation of energy conservation can be accommodated by the uncertainty principle. This opens the way for virtual pair production or annihilation in which a one particle quantum state may fluctuate into a two particle state and back. These processes are important in the vacuum state and renormalization of a quantum field theory. It also opens the way for neutral particle mixing through processes such as the one pictured here, which is a complicated example of mass renormalization.
Фейнман-Штюкельберг түсіндірмесі
Электрондық өрістің теріс энергиялық режимдерінің уақыт бойынша кері таралуын қарастыра отырып, Эрнст Штюкельберг бөлшектің және антибөлшектің массасы m және спині J бірдей, бірақ зарядтары q қарама-қарсы екендігін түсінуге келді. Бұл оған perturbation теориясын диаграммалар түрінде нақты қайта жазуға мүмкіндік берді. Ричард Фейнман кейін бөлшектік формализмнен тәуелсіз түрде осы диаграммалардың жүйелі шығарылуын жасады, және олар қазір Фейнман диаграммалары деп аталады. Фейнман диаграммаларындағы әрбір сызық уақыт бойынша алға немесе кері таралатын бөлшекті көрсетеді. Антибөлшектер Фейнман диаграммаларында қалыпты материяға қарағанда уақыт бойынша кері бағытта қозғалып келеді, және керісінше. Бұл техника қазіргі кванттық өріс теориясында амплитудаларды есептеудің ең көп тараған әдісі болып табылады. Осы суретті алғаш Штюкельберг жасағандықтан, ал оның қазіргі түрін Фейнман жұмысы дамытқандықтан, екі ғалымның құрметіне бұл антибөлшектердің Фейнман-Штюкельберг түсіндірмесі деп аталады.
By considering the propagation of the negative energy modes of the electron field backward in time, Ernst Stückelberg reached a pictorial understanding of the fact that the particle and antiparticle have equal mass m and spin J but opposite charges q. This allowed him to rewrite perturbation theory precisely in the form of diagrams. Richard Feynman later gave an independent systematic derivation of these diagrams from a particle formalism, and they are now called Feynman diagrams. Each line of a diagram represents a particle propagating either backward or forward in time. In Feynman diagrams, anti particles are shown traveling backwards in time relative to normal matter, and vice versa. This technique is the most widespread method of computing amplitudes in quantum field theory today. Since this picture was first developed by Stückelberg, and acquired its modern form in Feynman's work, it is called the Feynman–Stückelberg interpretation of antiparticles to honor both scientists.