Антиматерия

Высокоэнергетические столкновения частиц могут приводить к появлению пар частица/античастица или фотонов , а аннигиляция пар частица/античастица также приводят к появлению фотонов, как показывают эти следы в пузырьковой камере. Но что определяет принадлежность частицы к материи или антиматерии?

З.Ы фотон - сам себе античастица

via

У каждой известной частицы материи во Вселенной имеется антиматериальный двойник. У антиматерии есть множество свойств, сходных со свойствами нормальной материи, включая типы взаимодействий, массу, величину электрического заряда, и так далее. Но есть и несколько фундаментальных отличий. Однако две вещи по поводу взаимодействия частиц материи и антиматерии можно сказать с определённостью: если столкнуть частицу материи с её двойником из антиматерии, они мгновенно аннигилируют, превратившись в энергию, и в любом взаимодействии, создающем частицу материи, обязательно возникнет и её двойник из антиматерии. Так что же делает антиматерию особенной? Именно это хочет узнать наш читатель, который спрашивает:
Каковы различия между материей и антиматерией на фундаментальном уровне? Есть ли какое-то внутреннее свойство, заставляющее частицу становиться материей или антиматерией? Есть ли какое-то внутреннее свойство (типа спина), отличающее кварки и антикварки? Что придаёт приставку «анти» антиматерии?

Чтобы понять ответ на вопрос, необходимо взглянуть на существующие частицы (и античастицы).

Частицы и античастицы Стандартной Модели подчиняются всякого рода законам сохранения, но между фермионами и бозонами существуют фундаментальные различия

Это — Стандартная Модель элементарных частиц: полный набор открытых частиц в известной Вселенной. Они обычно делятся на два класса: бозоны с целыми спинами (..., -2, -1, 0, +1, +2, ...), не принадлежащие ни к материи, ни к антиматерии, и фермионы с полуцелыми спинами (..., -3/2, -1/2, +1/2, +3/2, ...), обязанные попадать в одну из двух категорий: материя или антиматерия. У любой частицы, какую вы только захотите создать, будет множество присущих ей свойств, определяемых тем, что мы называем квантовыми числами. У отдельной, изолированной частицы, это будут как знакомые вам свойства, так и несколько свойств, которые, возможно, окажутся для вас незнакомыми.

Возможные конфигурации электрона в атоме водорода удивительно сильно разнятся друг от друга, и всё же все они представляют одну и ту же частицу, находящуюся в немного разных квантовых состояниях. У частиц и античастиц также есть свои, присущие им неизменяемые квантовые числа, и они играют основную роль в определении того, принадлежит ли частица к материи, антиматерии, или ни к одной из категорий.

Из простых можно вспомнить массу и электрический заряд. К примеру, масса покоя электрона равна 9,11 × 10-31 кг, а его заряд равен -1,6 &times 10-19 Кл. Также электроны могут связываться с протонами, что даёт атом водорода с набором спектральных линий и линий испускания/поглощения, зависящих от их электромагнитного взаимодействия. Спин электронов равняется +1/2 или -1/2, лептонное число +1, номер лептонного семейства +1 для первого из трёх (электрон, мю, тау) лептонных семейств (для простоты мы опустим такие числа, как слабый изоспин или слабый гиперзаряд).

Учитывая эти свойства электрона, можно задать вопрос – как должна выглядеть частица-двойник электрона из антиматерии, на основании правил, управляющих элементарными частицами.

В простом атоме водорода единый электрон движется по орбите вокруг одного протона. В атоме антиводорода один позитрон движется вокруг одного антипротона. Позитроны и антипротоны – двойники в антиматерии для электронов и протонов соответственно.

Величины всех квантовых чисел должны сохраняться. Но у античастиц знаки этих чисел необходимо обратить. Для антиэлектрона это означает, что у него должны быть следующие квантовые числа:

масса покоя 9,11 × 10-31 кг,
электрический заряд 1,6 &times 10-19 Кл,
спин -1/2 или +1/2,
лептонное число -1,
номер лептонного семейства -1.

Когда вы свяжете его с антипротоном, он должен породить точно такую же серию спектральных линий и линий поглощения/испускания, какую демонстрирует система электрон/протон.

Электронные переходы в атоме водорода и длины волн получающихся фотонов демонстрируют эффект связующей энергии и взаимодействие между электроном и протоном в квантовой физике. Идентичность спектральных линий у позитронов и антипротонов подтверждена.

Все эти факты были экспериментально подтверждены. Частица, точно соответствующая описанию антиэлектрона, известна, как позитрон. Это необходимо, если учесть, как мы создаём материю и антиматерию: обычно мы создаём их из ничего. То есть, если столкнуть две частицы на достаточно высоких энергиях, часто можно получить дополнительную пару частица/античастица из излишков энергии (из Эйнштейновского E=mc2), по закону сохранения.

Сталкивая частицу с античастицей можно ожидать, что они аннигилируют, превратившись в энергию. А из этого следует, что столкнув две любых частицы с достаточно большой энергией, можно создать пару частица/античастица

Но должна сохраниться не только энергия; есть ещё целая гора квантовых чисел, которые тоже нужно сохранить! Сюда входят:

электрический заряд,
угловой момент (комбинация спина и орбитального углового момента; для отдельных частиц это просто спин),
лептонное число,
барионное число,
номер лептонного семейства,
цветной заряд.

И из всех этих внутренних свойств два определяют принадлежность к материи и антиматерии – барионное число и лептонное число.

В ранней Вселенной было чрезвычайно много всех частиц и их античастиц, но по мере её охлаждения большая часть частиц аннигилировала. Вся имеющаяся у нас обычная материя возникла из кварков и лептонов, с положительными барионными и лептонными числами, превысивших по количеству их двойников, антикварков и антилептонов.

Если любое из этих чисел положительное, то частица принадлежит к обычной материи. Поэтому кварки (с барионным числом +1/3), электроны, мюоны, тау, нейтрино (с лептонным числом +1) принадлежат к материи, а антикварки, позитроны, антимюоны, антитау, антинейтрино – к антиматерии. Это всё фермионы и антифермионы, и каждый фермион – это частица материи, а антифермион – частица антиматерии.

Частицы Стандартной Модели с массами в МэВ/с2, указанными в левых верхних углах. Три левых столбца – фермионы, два правых – бозоны. И хотя у всех частиц есть своя античастица, к материи или антиматерии относятся только фермионы.

Но существуют ещё и бозоны. Есть глюоны, античастицы которых – глюоны с противоположными цветовыми комбинациями; есть W+ с античастицей W- (с противоположным электрическим зарядом); есть Z0, бозон Хиггса, и фотон, античастицами которых являются они сами. Однако бозоны не относятся ни к материи, ни к антиматерии. Без лептонного или барионного чисел эти частицы могут обладать электрическим зарядом, цветным зарядом, спином, и т.п. – но никто не может называть их «материей» или «антиматерией». В данном случае, бозоны – это просто бозоны, а если у них нет заряда, то они сами себе античастицы.

Это сообщение отредактировал lambrusco - 14.10.2019 - 22:22

На всех масштабах Вселенной, от нашего региона до межзвёздного пространства, от отдельных галактик до скоплений и нитей и великой космической паутины, всё, что мы наблюдаем, видится нам состоящим из обычной материи, но не из антиматерии. Эта загадка остаётся неразгаданной.

Так что же придаёт антиматерии приставку «анти»? Если взять отдельную частицу, то её античастица будет иметь ту же массу, и все те же квантовые числа с обратным знаком: это частица, способная аннигилировать с первой и превратиться в энергию. Но чтобы быть материей, у частицы должно быть позитивным либо барионное, либо лептонное число. Чтобы быть антиматерией, нужно иметь негативным либо барионное, либо лептонное число. Кроме этого в нашей Вселенной неизвестно никаких фундаментальных причин, по которым бы материя чем-то превосходила антиматерию; мы до сих пор не знаем, как была нарушена эта симметрия (хотя идеи у нас есть). Если бы всё пошло по-другому, мы бы, наверно, называли всё, из чего мы состоим, «материей», а остальное – «антиматерией», но названия эти даются произвольно. Как всегда, Вселенная находится на стороне тех, кто выжил.

Это сообщение отредактировал lambrusco - 14.10.2019 - 22:25

Спасибо ТС. Все, что я понял - бозоны самые свирепые из всех элементарных частиц. Это практически медоеды, а не частицы. Они маленькие но самые злые и бесстрашные.
Ждем дальнейших лекций.

Ты это...с кем сейчас разговаривал?
и это..картошки со шкварками захотелось чо то..(

Это сообщение отредактировал УГОчавеС - 14.10.2019 - 22:30

На ЯПе тоже должен соблюдаться баланс между развитием и деградацией. Вобщем... сколько я ж теперь деградировать то должен после этого поста?

ну, фотон, как и бозон тоже нейтрален. Сам себе антиматерия ))

Чевоооо?
Я даже не смог начать понимать о чем всё это

Интересно, занимательно, но не практично на сегодняшний момент
Раньше думал что антиэлектроны это "дырки"

Фотон слишком легкий и живет недолго, он вообще безобидный. Как стрекоза.

Бля, вот этот раздел физики я одолеть не смог. Глубже электричества мозг отказался воспринимать это всё. Есть ещё мутные среды и вакуум, там вообще треш. Надо очень образным мышлением обладать. Но круто, не поспоришь. Учитывая то, что многие выводы делались эмпирическим путём, а позже были доказаны экспериментально.

Возражу. При аннигиляции образуется не энергия, а другие частицы. Энергия - это не субстанция, что бы в нее что-то превращалось, а свойство материи. Так что к "образуемой при аннигиляции энергии" должна быть присобачена какая-нибудь материя, которая эту энергию будет нести. К примеру, в хрестоматийном примере аннигиляции электрона и позитрона получаются фотоны.

Я в пятницу могу иметь цветной индекс. Лептон полный.
Такие посты надо делать утром в субботу для поочистки мзгов.

Чего это фотон живет недолго? Он живет ровно от излучения до поглощения. Вот реликтовое излучение со времен бариогенезиса живет и помирать не спешит. А про безобидность фотона расскажите гамма-квантам, ну или обгорелой спине после пляжа.

Это сообщение отредактировал Japansgod - 14.10.2019 - 22:59

Работаю с лазером, мне кажется, что металл под ним так не считает)))

Электрон и дырка в полупроводнике и вправду похожи на электрон и позитрон из теории Дирака, хотя бы знаками заряда. Но этого недостаточно для запрещения Оже-рекомбинации. Необходимо, чтобы законы дисперсии электрона и дырки в полупроводнике совпали с таковыми для частиц Дирака. Закон дисперсии — это зависимость кинетической энергией частицы от ее импульса. Она кодирует всю информацию о движении частиц и реакциях, в которые они могут вступать.


Оже-рекомбинация — механизм рекомбинации в полупроводниках, при котором лишняя энергия передаётся другому электронному возбуждению.

Более подробно:
https://scientificrussia.ru/articles/fiziki...al-dlya-lazerov
Все полупроводниковые материалы содержат в себе некоторое количество свободных носителей заряда – электронов, и их виртуальных антиподов, так называемых "дырок", областей пространства, заряженных положительно. И электроны, и дырки могут мигрировать по материалу, сталкиваться друг с другом и взаимодействовать иными путями.

Эти взаимодействия, как сейчас считают физики, очень похожи на то, что происходит при столкновении материи и антиматерии. К примеру, сближение дырки и электрона приводит к их взаимному "уничтожению" и высвобождению энергии, как при аннигиляции частиц, что сегодня используется в работе полупроводниковых лазеров и многих других приборов.

Помимо простой аннигиляции, есть и другой вариант "самоуничтожения" пар дырок и электронов, открытый еще в 1923 году известным французским физиком Пьером Оже. Он заметил, что этот процесс может привести не к рождению вспышки света, а разгону другой частицы, проходившей неподалеку от места столкновения позитрона и электрона.

Этот феномен, получивший имя эффект Оже, сегодня считается главной причиной того, почему светодиоды и полупроводниковые лазеры резко теряют эффективность при повышении силы тока. Год назад Свинцов и его коллеги выяснили, почему подобные процессы происходят внутри графена, абсолютно плоского материала, где они считались раньше невозможными.

Получив объяснение тому, почему сверхмощные графеновые лазеры так и не появились на свет, ученые из Физтеха задумались над тем, как будут вести себя трехмерные аналоги этого материала, так называемые полуметаллы Вейля.

В 1929 году немецкий математик Герман Вейль изучал свежие на тот момент уравнения, выведенные Полем Дираком для описания манеры движений и поведения электрона, позитрона и других жителей микромира, ведущих себя одновременно как волна и частица.

Вейль обнаружил, что данные формулы допускают существование крайне экзотических частиц, не обладающих массой и движущихся со скоростью света по особым законам, не совместимым с физикой того времени. После того, как физики начали всерьез воспринимать расчеты Вейля, они долгое время считали, что подобными частицами являются нейтрино, которые до экспериментов конца прошлого века считались безмассовыми.

Лишь недавно ученые нашли аналоги этих частиц внутри особых материалов, которые называются "вейлевскими полуметаллами". По своей сути эти материалы представляют собой трехмерные аналоги графена, электроны в которых, как и в самом "нобелевском углероде", ведут себя как фермионы Вейля – они не обладают массой, но имеют заряд.

"Мы знакомы с горьким опытом предшественников, которые надеялись на точное воспроизведение закона дисперсии, предсказанного Дираком, в реальных кристаллах. Поэтому и сделали все возможное, чтобы выявить возможные лазейки для эффекта Оже в полуметаллах Вейля. Такие лазейки имеются, однако эта возможность, по нашим расчетам, является маловероятной", — продолжает Свинцов.

Как показали расчеты российских физиков и опыты на полуметалле из таллия и мышьяка, эффект Оже в подобных трехмерных аналогах графена будет "геометрически" подавляться благодаря тому, как на поведение заряженных частиц будут влиять законы сохранения энергии и импульса.

При этом пары из дырок и электронов в подобных материалах будут жить необычно долго, в тысячи раз превосходя этот параметр для существующих полупроводниковых лазеров. По словам физиков, их поведение будет почти идеально соответствовать теории Дирака, что открывает перспективы для их использования в новых типах длинноволновых лазеров.

Это сообщение отредактировал lambrusco - 14.10.2019 - 22:55

Странно, столько вроде знаем, а электричество до сих пор получаем вращением турбины паром.

Да..атомный паровой двигатель..

Почему не практично? Например позитрон-эмисионная томография. В тушку вводят радиоактивное вещество, которое оседает в нужных тканях и распадается бета-распадом. Получившийся позитрон тыкается в электрон из окружающих тканей и аннигилирует с выделением фотонов. Т.е. с милипиздрической вспышкой. Томограф регистрирует эти мини-вспышки и на основе их визуализирует исследуемую ткань. Так вот вот вам и антиматерия, и практическое ее применение.