Visokoenergetski sudari čestica mogu stvoriti parove materije i antimaterije ili fotone, dok se parovi materije i antimaterije uništavaju da bi nastali i fotoni, kao što pokazuju ove komore sa mjehurićima. Ali što određuje je li čestica materija ili antimaterija? Kreditna slika: Fermilab.

Pitajte Ethana: Što je "Anti" o antimateriji?

Postoji puno svojstava svojstvenih česticama, i iako svi imaju antičestice, nisu svi materija ili antimaterije.

Za svaku česticu materije za koju se zna da postoji u Svemiru, postoji kontra antimaterija. Antimaterija ima mnoga ista svojstva kao i normalna tvar, uključujući vrste interakcije koju prolazi, njenu masu, veličinu električnog naboja i tako dalje. Ali postoji i nekoliko temeljnih razlika. Ipak, dvije su stvari sigurne u interakcijama materije i antimaterije: ako sudarite česticu materije s antimaterijskim kolegama, obje se odmah unište na čistu energiju, a ako podvrgnete bilo kakvoj interakciji u Svemiru koja stvara česticu materije, morate stvoriti njezin antimaterijski kolega. Pa što ionako čini antimateriju tako "anti"? To pita Robert Nagle, kako pita:

Na temeljnoj razini, koja je razlika između materije i njene antimaterije? Postoji li neko svojstveno svojstvo koje uzrokuje da čestica bude materija ili antimaterija? Postoji li neko svojstveno svojstvo (poput spina) koje razlikuje kvarkove i antikvarkove? Što ono što stavlja "anti" u anti materiju?

Da bismo razumjeli odgovor, moramo pogledati sve čestice (i antičestice) koje postoje.

Čestice i antičestice Standardnog modela pridržavaju se svih vrsta zakona očuvanja, ali postoje temeljne razlike između fermionskih čestica i antičestica i bozonskih. Kreditna slika: E. Siegel / Beyond the Galaxy.

Ovo je standardni model elementarnih čestica: puni skup otkrivenih čestica u poznatom Svemiru. Općenito postoje dvije klase tih čestica, bozoni koji imaju cjelobrojne spinove (…, -2, -1, 0, +1, +2,…) i nisu materija niti antimaterija, i fermioni, koji imaju polovinu- cijeli brojevi se okreću (…, -3/2, -1/2, +1/2, +3/2,…) i moraju biti „čestice tipa“ ili „antimaterije“. Za bilo koju česticu koju možete razmišljati o stvaranju postojat će niz svojstvenih svojstava koja je određena onim što nazivamo kvantnim brojevima. Za pojedinačnu česticu u izolaciji to uključuje brojne osobine koje ste vjerojatno upoznati, kao i neke koje možda niste upoznati.

Ove moguće konfiguracije elektrona u atomu vodika neobično se međusobno razlikuju, ali sve zajedno predstavljaju istu točnu česticu u pomalo različitom kvantnom stanju. Čestice (i antičestice) također imaju unutarnje kvantne brojeve koji se ne mogu promijeniti, a ti brojevi su ključni u određivanju je li čestica materija, antimaterija ili nijedno. Kreditna slika: PoorLeno / Wikimedia Commons.

Jednostavne su stvari poput mase i električnog naboja. Na primjer, elektron ima mirovanje od 9,11 × 10 ^ -31 kg i električni naboj -1,6 × 10 ^ -19 C. Elektroni se također mogu vezati zajedno s protonima kako bi proizveli atom vodika, s nizom spektralne linije i značajke emisije / apsorpcije temeljene na elektromagnetskoj sili između njih. Elektroni imaju spin bilo +1/2 ili -1/2, lepton broj +1 i obiteljski broj leptona +1 za prvu (elektron) od tri (elektrona, mu, tau), leptonu obitelji. (Zanemarit ćemo brojeve poput slabe izospine i slabe prekomjerne napunjenosti radi jednostavnosti.)

S obzirom na ta svojstva elektrona, možemo se zapitati kako bi trebao izgledati antimaterijski elektron na temelju pravila koja reguliraju elementarne čestice.

U jednostavnom vodikovom atomu jedan elektron kruži oko jednog protona. U antihidrogenom atomu jedan pozitronski (antielektron) orbitira jedan antiproton. Pozitroni i antiprotoni su antimaterijski dijelovi elektrona i protona. Kreditna slika: Lawrence Berkeley Labs.

Veličine svih kvantnih brojeva moraju ostati iste. Ali za antičestice, znakovi ovih kvantnih brojeva moraju biti obrnuti. Za antielektron to znači da treba imati sljedeće kvantne brojeve:

  • masa mirovanja 9,11 × 10 ^ –31 kg,
  • električni naboj +1,6 × 10 ^ –19 C,
  • centrifuga (respektivno) -1/2 ili +1/2,
  • lepton broj -1,
  • i porodica leptona broj -1 za prvu (elektronsku) obitelj leptona.

A ako ga vežete zajedno s antiprotonom, on bi trebao proizvesti potpuno isti niz spektralnih linija i svojstava emisije / apsorpcije kakav je proizveo elektron / protonski sustav.

Prijelazi elektrona u vodikovom atomu, zajedno s valnim duljinama rezultirajućih fotona, pokazuju učinak energije vezanja i odnos elektrona i protona u kvantnoj fizici. Provjereno je da su spektralne linije između pozitrona i antiprotona potpuno iste. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnici Szdori i OrangeDog.

Sve su ove činjenice eksperimentalno potvrđene. Čestica koja odgovara ovom točnom opisu anti-elektrona je čestica poznata kao pozitron! Razlog zašto je to potrebno dolazi kada razmislite o tome kako pravite materiju i antimateriju: obično ih radite iz ničega. Što znači, ako skupite dvije čestice zajedno na dovoljno visokoj energiji, često možete stvoriti dodatni par "čestica-antičestica" iz viška energije (iz Einsteinova E = mc2), koji štedi energiju.

Kad god se čestica sudara s njenom anti česticom, ona se može uništiti u čistu energiju. To znači da ako bilo koje dvije čestice uopće pokupe dovoljno energije, možete stvoriti par protiv antimaterije. Kreditna slika: Andrew Deniszczyc, 2017.

Ali ne trebate samo štedjeti energiju; postoji niz kvantnih brojeva koje također morate sačuvati! A to uključuje sve sljedeće:

  • električno punjenje,
  • kutni zamah (koji kombinira "okretni" i "orbitalni" kutni zamah; za pojedinačne, nevezane čestice, to je samo "okretanje"),
  • lepton broj,
  • barijon broj,
  • obiteljski broj leptona,
  • i naboj u boji.

Od tih svojstvenih svojstava, postoje dva koja vas definiraju kao "materiju" ili "antimateriju", a ona su "barijon broj" i "lepton broj".

U ranom Svemiru, sve čestice i njihove čestice antimaterije bile su neobično obilne, ali kako su se Svemir ohladili, većina se uništila. Sva konvencionalna materija koja nam je danas preostala potječe iz kvarkova i leptona, s pozitivnim brojevima barijena i leptona, koji su nadmašili brojnu antikvarku i antileptonu. (Ovdje su prikazani samo kvarkovi i antikvarkovi.) Kreditna slika: E. Siegel / Beyond the Galaxy.

Ako je bilo koji od tih brojeva pozitivan, važan ste. Zato su kvarkovi (kojih svaki ima barijon broj +1/3), elektroni, muoni, tausi i neutrini (kojih svaki ima leptonski broj +1) materija, dok su antikvarkovi, pozitroni, antijunovi, anti-taus , a anti-neutrini su svi antimateriji. To su sve fermioni i antifermioni, a svaki fermion je čestica materije, dok je svaki antifermion čestica antimaterije.

Čestice standardnog modela, s masom (u MeV) u gornjem desnom dijelu. Fermioni čine lijeva tri stupa; bozoni naseljavaju desna dva stupca. Iako sve čestice imaju odgovarajuću anti česticu, samo fermioni mogu biti tvar ili antimaterija. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Ured za znanost, Ministarstvo energetike Sjedinjenih Država, Grupa podataka podataka.

Ali postoje i bozoni. Postoje gluoni koji za svoje antičestice sadrže gluone suprotnih kombinacija boja; tu je W + koja je antičestica W- (s suprotnim električnim nabojem), a tu su Z0, Higgsov bozon i foton, koji su njihove vlastite antičestice. Međutim, bozoni nisu ni materija ni antimaterija. Bez leptonovog broja ili barionovog broja, ove čestice mogu imati električne naboje, naboje u boji, okretaje itd., Ali niko s pravom ne može sebe nazvati „materijom“ ili „antimaterijom“, a njihov antičestica drugi. U ovom su slučaju bozoni jednostavno bozoni, a ako nemaju naboja, to su jednostavno vlastite antičestice.

Na svim mjerilima u Svemiru, od našeg lokalnog susjedstva do međuzvjezdanih medija, do pojedinih galaksija, klastera do niti i velikog kozmičkog spleta, sve što promatramo čini se da je napravljeno od normalne materije, a ne od antimaterije. Ovo je neobjašnjiva misterija. Kreditna slika: NASA, ESA i Hubble Heritage tim (STScI / AURA).

Pa što stavlja "anti" u antimateriju? Ako ste pojedinačna čestica, tada je vaša antičestica iste mase kao i vi sa svim suprotnim sačuvanim kvantnim brojevima: to je čestica koja vas može uništiti natrag u čistu energiju ako se ikad vas dvoje sretnete. Ali ako želite biti materija, morate imati ili pozitivan broj bariona ili pozitivan lepton; ako želite biti antimaterijski, morate imati ili negativni barionski ili negativni leptonski broj. Pored toga, ne postoji poznati temeljni razlog zašto je naš Svemir favorizirao materiju nad antimaterijom; još uvijek ne znamo kako je razbijena ta simetrija (Iako imamo ideje.) Ako bi se stvari pokazale drugačije, vjerovatno bismo nazvali ono što smo mi napravili od "materije" i njezine suprotne "antimaterije", ali tko dobije to ime, potpuno je proizvoljno. Kao i u svemu, svemir je pristran prema preživjelima.

Pošaljite svoja pitanja pitajte Ethan na startwithabang na gmail dot com!

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.