Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Частица с противоположными зарядами
Particle with opposite charges
В физике частиц каждый тип частицы "обычной" материи (в отличие от антиматерии) связан с античастицей с той же массой, но с противоположными физическими зарядами (такими как электрический заряд). Например, античастицей электрона является позитрон (также известный как антиэлектрон). Электрон имеет отрицательный электрический заряд, а позитрон — положительный, и он образуется естественным образом при определенных типах радиоактивного распада. Обратное также верно: античастицей позитрона является электрон. Некоторые частицы, такие как фотон, являются собственными античастицами. В противном случае для каждой пары античастиц одна из них обозначается как нормальная частица (та, которая обычно встречается в материи и взаимодействует в повседневной жизни). Другая (обычно с префиксом "анти") обозначается как античастица. Частицы и античастицы 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, создавая пары гамма-лучей — процесс, используемый в позитронно-эмиссионной томографии. Законы природы почти симметричны по отношению к частицам и античастицам. Например, антипротон и позитрон могут образовать атом антиводорода, который, как считается, обладает теми же свойствами, что и атом водорода. Это приводит к вопросу о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к Вселенной, состоящей почти исключительно из материи, а не к смеси материи и антиматерии в равных пропорциях. Открытие нарушения CP-инвариантности помогло пролить свет на эту проблему, показав, что эта симметрия, первоначально считавшаяся абсолютной, является лишь приближенной. Вопрос о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к Вселенной, состоящей почти исключительно из материи, остается без ответа, и существующие объяснения пока не являются полностью удовлетворительными. Поскольку заряд сохраняется, невозможно создать античастицу, не уничтожив другую частицу с тем же зарядом (как, например, при естественном образовании античастиц в бета-распаде или при столкновении космических лучей с атмосферой Земли) или путем одновременного создания частицы и ее античастицы (образование пар), что может происходить в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе. Частицы и их античастицы имеют равные по величине и противоположные по знаку заряды, поэтому незаряженная частица порождает и незаряженную античастицу. Во многих случаях античастица и частица совпадают: пары фотонов, Z0-бозонов, мезонов и гипотетических гравитонов и некоторых гипотетических WIMP-частиц самоаннигилируют. Однако электрически нейтральные частицы не обязательно должны быть идентичны своим античастицам: например, нейтрон и антинейтрон различны.
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.
Эксперимент
В 1932 году, вскоре после предсказания существования позитронов Полом Дираком, Карл Д. Андерсон обнаружил, что столкновения космических лучей порождают эти частицы в облачной камере – детекторе частиц, в котором движущиеся электроны (или позитроны) оставляют за собой треки при движении в газе. Отношение электрического заряда к массе частицы можно измерить, наблюдая радиус закручивания её трека в облачной камере в магнитном поле. Из-за направления закручивания траекторий, позитроны поначалу ошибочно принимали за электроны, движущиеся в противоположном направлении. Траектории позитронов в облачной камере повторяют спиральную форму траектории электрона, но вращаются в противоположном направлении относительно направления магнитного поля, поскольку они имеют одинаковое значение отношения заряда к массе, но противоположный заряд и, следовательно, противоположное отношение заряда к массе. Антипротон и антинейтрон были обнаружены Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом в 1955 году в Калифорнийском университете в Беркли. С тех пор в экспериментах на ускорителях частиц были созданы античастицы многих других субатомных частиц. В последние годы были собраны целые атомы антиматерии из антипротонов и позитронов и удержаны в электромагнитных ловушках.
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.
Теория дыры Дирака
Решения уравнения Дирака содержат квантовые состояния с отрицательной энергией. В результате электрон мог бы постоянно излучать энергию и переходить в состояние с отрицательной энергией. Более того, он мог бы излучать бесконечное количество энергии, поскольку существовало бесконечно много доступных состояний с отрицательной энергией. Чтобы предотвратить эту нефизическую ситуацию, Дирак предположил, что «море» электронов с отрицательной энергией заполняет Вселенную, уже занимая все состояния с более низкой энергией, так что, в силу принципа исключения Паули, ни один другой электрон не мог бы в них попасть. Однако иногда одна из этих частиц с отрицательной энергией могла быть выведена из этого моря Дирака, превращаясь в частицу с положительной энергией. Но при этом она оставляла бы за собой «дыру» в море, которая вела бы себя точно как электрон с положительной энергией и противоположным зарядом. Пол Дирак интерпретировал эти «дыры» как «электроны с отрицательной энергией» и ошибочно отождествил их с протонами в своей работе 1930 года «Теория электронов и протонов». Однако оказалось, что эти «электроны с отрицательной энергией» являются позитронами, а не протонами. Эта картина подразумевала бесконечный отрицательный заряд Вселенной – проблему, о которой Дирак знал. Дирак пытался доказать, что мы воспринимаем это как нормальное состояние с нулевым зарядом. Другой трудностью была разница в массах электрона и протона. Дирак пытался утверждать, что это связано с электромагнитными взаимодействиями с морем, пока Герман Вейль не доказал, что теория дыр полностью симметрична относительно отрицательных и положительных зарядов. Дирак также предсказал реакцию e⁻ + p⁺ → γ + γ, где электрон и протон аннигилируют, образуя два фотона. Однако Роберт Оппенгеймер и Игорь Тамм доказали, что это привело бы к слишком быстрому исчезновению обычной материи. Год спустя, в 1931 году, Дирак модифицировал свою теорию и постулировал существование позитрона – новой частицы с той же массой, что и электрон. Открытие этой частицы в следующем году сняло последние два возражения против его теории. В рамках теории Дирака проблема бесконечного заряда Вселенной остается нерешенной. Некоторые бозоны также имеют античастицы, но поскольку бозоны не подчиняются принципу исключения Паули (это справедливо только для фермионов), теория дыр для них неприменима. В настоящее время в квантовой теории поля существует единая интерпретация античастиц, которая решает обе эти проблемы, описывая антиматерию как состояния с отрицательной энергией того же базового поля материи, то есть частицы, движущиеся назад во времени.
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.
Аннигиляция частиц и античастиц
Если частица и античастица находятся в соответствующих квантовых состояниях, то они могут аннигилировать друг друга, порождая другие частицы. Реакция, такая как + → (двухфотонная аннигиляция пары электрон-позитрон), является примером этого. Аннигиляция одного фотона в паре электрон-позитрон, + → , невозможна в свободном пространстве, поскольку в этом процессе невозможно одновременно сохранить энергию и импульс. Однако в кулоновском поле ядра трансляционная инвариантность нарушается, и аннигиляция одного фотона становится возможной. Обратная реакция (в свободном пространстве, без атомного ядра) также невозможна по этой причине. В квантовой теории поля этот процесс разрешен только как промежуточное квантовое состояние на время, достаточно короткое для того, чтобы нарушение закона сохранения энергии могло быть учтено принципом неопределенности. Это открывает путь для виртуального рождения или аннигиляции пар, когда квантовое состояние одной частицы может переходить в состояние двух частиц и обратно. Эти процессы важны для описания вакуумного состояния и ренормализации квантовой теории поля. Они также позволяют нейтральным частицам смешиваться посредством процессов, таких как показанный здесь, который представляет собой сложный пример ренормализации массы.
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.
Интерпретация Фейнмана и Штюкельберга
Рассматривая распространение мод отрицательной энергии электронного поля в обратном направлении во времени, Эрнст Штюкельберг пришел к наглядному пониманию того, что частица и античастица имеют одинаковую массу m и спин J, но противоположные заряды q. Это позволило ему переписать теорию возмущений в точности в виде диаграмм. Ричард Фейнман позже дал независимый систематический вывод этих диаграмм, исходя из формализма частиц, и теперь они называются диаграммами Фейнмана. Каждая линия на диаграмме представляет частицу, распространяющуюся либо вперед, либо назад во времени. На диаграммах Фейнмана античастицы изображаются движущимися назад во времени относительно обычной материи, и наоборот. Этот метод является наиболее распространенным способом вычисления амплитуд в квантовой теории поля на сегодняшний день. Поскольку эта концепция была впервые разработана Штюкельбергом и приобрела свой современный вид в работах Фейнмана, она называется интерпретацией античастиц Фейнмана — Штюкельберга в знак признания вклада обоих ученых.
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.