الإبادة
في فيزياء الجسيمات ، يُعرف الإفناء بأنه العملية التي تحدث عندما يصطدم جسيم دون ذري بنظيره المضاد لإنتاج جسيمات أخرى، مثل اصطدام الإلكترون بالبوزيترون لإنتاج فوتونين . [ 1 ] تُحفظ الطاقة والزخم الكليان للزوج الأولي خلال هذه العملية، ويتم توزيعهما على مجموعة من الجسيمات الأخرى في الحالة النهائية. تمتلك الجسيمات المضادة أعدادًا كمية جمعية معاكسة تمامًا للجسيمات ، لذا فإن مجموع جميع الأعداد الكمية لهذا الزوج الأصلي يساوي صفرًا. وبالتالي، يمكن إنتاج أي مجموعة من الجسيمات التي يكون مجموع أعدادها الكمية صفرًا أيضًا، طالما أن قوانين حفظ الطاقة والزخم واللف المغزلي مُطبقة. [ 2 ]
خلال عملية إفناء الجسيمات منخفضة الطاقة، يُفضّل إنتاج الفوتونات ، لأن هذه الجسيمات عديمة الكتلة. أما مصادمات الجسيمات عالية الطاقة فتُنتج عمليات إفناء تُنتج خلالها مجموعة واسعة من الجسيمات الثقيلة الغريبة.
يُستخدم مصطلح "الإفناء" بشكل غير رسمي لوصف تفاعل جسيمين ليسا جسيمين مضادين لبعضهما البعض - أي ليسا مترافقين في الشحنة . قد لا يكون مجموع بعض الأعداد الكمومية صفرًا في الحالة الابتدائية، ولكنه يبقى كما هو في الحالة النهائية. ومن الأمثلة على ذلك "إفناء" نيوترينو مضاد للإلكترون عالي الطاقة مع إلكترون لإنتاج بوزون W− .
إذا كانت الجسيمات المتلاشية مركبة ، مثل الميزونات أو الباريونات ، فعادةً ما يتم إنتاج جسيمات متعددة مختلفة في الحالة النهائية.
إن عكس الإفناء هو إنتاج الأزواج ، وهي العملية التي يحول فيها الفوتون عالي الطاقة طاقته إلى كتلة.
تاريخ
قدّم بول ديراك مفهوم الإفناء عام 1931. سُمّيت ورقته البحثية "حول إفناء الإلكترونات والبروتونات" [ 3 ] لأنه لم يكن قد أدرك بعد أن حالات الشحنة الموجبة (الطاقة السالبة) هي إلكترونات مضادة. [ 4 ] : 47 استُخدم الإفناء للتحقق من وجود البروتون المضاد عام 1956. [ 5 ] : 316
إنتاج بوزون واحد
إذا كان الجسيمان الأوليان أوليين (غير مركبين)، فإنهما قد يتحدان لإنتاج بوزون أولي واحد فقط ، مثل الفوتون ( γ )، أو الغلوون ( g )، أو Z ، أو بوزون هيغز ( H₀ ).إذا كانت الطاقة الكلية في إطار مركز الزخم مساويةً لكتلة سكون بوزون حقيقي (وهو أمر مستحيل بالنسبة لبوزون عديم الكتلة مثل غاما )، فإن الجسيم المُتكوّن سيستمر في الوجود حتى يتحلل وفقًا لعمره الافتراضي . وإلا، يُفهم أن العملية هي التكوين الأولي لبوزون افتراضي ، يتحول فورًا إلى زوج من جسيم حقيقي وجسيم مضاد. تُسمى هذه العملية بعملية قناة s . ومن الأمثلة على ذلك إفناء إلكترون مع بوزيترون لإنتاج فوتون افتراضي، والذي يتحول بدوره إلى ميون وميون مضاد. إذا كانت الطاقة كبيرة بما يكفي، فقد يحل جسيم Z محل الفوتون.
أمثلة
إفناء الإلكترون والبوزيترون
عندما يفني إلكترون منخفض الطاقة بوزيترونًا (إلكترونًا مضادًا) منخفض الطاقة ، فإن النتيجة الأكثر ترجيحًا هي إنتاج فوتونين أو أكثر ، لأن جسيمات النموذج القياسي الأخرى الوحيدة في الحالة النهائية التي يحمل الإلكترون والبوزيترون طاقة كتلة كافية لإنتاجها هي النيوترينوات ، والتي يقل احتمال إنتاجها بنحو 10000 مرة، كما أن إنتاج فوتون واحد فقط مستحيل بسبب قانون حفظ الزخم - إذ يحمل الفوتون الواحد زخمًا غير صفري في أي إطار مرجعي ، بما في ذلك إطار مركز الزخم حيث ينعدم الزخم الكلي. يمتلك كل من الإلكترون والبوزيترون المتآمرين طاقة سكون تبلغ حوالي 0.501 مليون إلكترون فولت (MeV). إذا كانت طاقاتهما الحركية ضئيلة نسبيًا، فإن طاقة السكون الكلية هذه تظهر كطاقة الفوتونات الناتجة. وبالتالي، يمتلك كل فوتون طاقة تبلغ حوالي 0.511 مليون إلكترون فولت (MeV). يتم الحفاظ على كل من الزخم والطاقة، حيث تتحرك طاقة الفوتون البالغة 1.012 ميغا إلكترون فولت (والتي تمثل طاقة سكون الجسيمات) في اتجاهين متعاكسين (والتي تمثل الزخم الصفري الكلي للنظام). [ 6 ]
إذا امتلك أحد الجسيمين المشحونين أو كلاهما طاقة حركية كبيرة، فمن الممكن إنتاج جسيمات أخرى متنوعة. علاوة على ذلك، يمكن أن يحدث فناء (أو تحلل) زوج إلكترون-بوزيترون إلى فوتون واحد في وجود جسيم مشحون ثالث، حيث يمكن نقل الزخم الزائد إليه بواسطة فوتون افتراضي من الإلكترون أو البوزيترون. كما أن العملية العكسية، أي إنتاج الزوج بواسطة فوتون حقيقي واحد، ممكنة أيضًا في المجال الكهرومغناطيسي لجسيم ثالث.
إفناء البروتون-مضاد البروتون
عندما يصطدم بروتون بنظيره المضاد (وبشكل أعم، إذا اصطدم أي نوع من الباريونات بنظيره المضاد )، فإن التفاعل ليس بسيطًا كفناء الإلكترون والبوزيترون. على عكس الإلكترون، البروتون جسيم مركب يتكون من ثلاثة " كواركات تكافؤ " وعدد غير محدد من " كواركات البحر " المرتبطة بالغلوونات . لذا، عندما يصطدم بروتون ببروتون مضاد، قد يفنى أحد كواركاته، وعادةً ما يكون كوارك تكافؤ، مع كوارك مضاد ( والذي قد يكون نادرًا كوارك بحر) لإنتاج غلوون. بعد ذلك، يخضع الغلوون مع الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات المتبقية لعملية إعادة ترتيب معقدة (تسمى التفتت أو التجزؤ ) إلى عدد من الميزونات (معظمها بيونات وكاونات )، والتي تتشارك الطاقة والزخم الكليين. الميزونات المُستحدثة غير مستقرة، وما لم تتفاعل مع مادة أخرى، فإنها تتحلل في سلسلة من التفاعلات التي تُنتج في النهاية الفوتونات والإلكترونات والبوزيترونات والنيوترينوات فقط . يحدث هذا النوع من التفاعل بين أي باريون (جسيم يتكون من ثلاثة كواركات) وأي مضاد باريون يتكون من ثلاثة مضادات كواركات، أحدها يُطابق كواركًا في الباريون. (يُستبعد حدوث هذا التفاعل إذا كان أحد الباريون أو مضاد الباريون غريبًا بما يكفي بحيث لا يشتركان في أي نكهات كواركات مُكونة). يمكن للبروتونات المضادة أن تفنى مع النيوترونات ، وكذلك يمكن للنيوترونات المضادة أن تفنى مع البروتونات، كما سيتم توضيحه لاحقًا.
رُصدت تفاعلات ينتج عنها إفناء البروتون-مضاد البروتون ما يصل إلى 9 ميزونات، بينما يُعدّ إنتاج 13 ميزونًا ممكنًا نظريًا. تغادر الميزونات المتولدة موقع الإفناء بسرعة تُقارب سرعة الضوء، وتتحلل وفقًا لعمرها الافتراضي المناسب لنوعها. [ 7 ]
ستحدث تفاعلات مماثلة عند فناء مضاد نيوكليون داخل نواة ذرية أكثر تعقيدًا ، إلا أن الميزونات الناتجة، نظرًا لتفاعلها القوي ، لديها احتمال كبير للامتصاص بواسطة أحد النيوكليونات "المتفرجة" المتبقية بدلًا من الهروب. وبما أن الطاقة الممتصة قد تصل إلى حوالي 2 جيجا إلكترون فولت ، فإنها من حيث المبدأ قد تتجاوز طاقة الربط حتى لأثقل النوى. وبالتالي، عندما يفنى مضاد بروتون داخل نواة ثقيلة مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم ، قد يحدث تفكك جزئي أو كامل للنواة، مما يؤدي إلى إطلاق أعداد كبيرة من النيوترونات السريعة. [ 8 ] تفتح هذه التفاعلات إمكانية إطلاق عدد كبير من تفاعلات الانشطار الثانوية في كتلة دون الحرجة، وقد تكون مفيدة في دفع المركبات الفضائية .
إنتاج هيغز
في تصادمات نيوكليونين عند طاقات عالية جدًا، تميل كواركات البحر والغلوونات إلى السيطرة على معدل التفاعل، لذا لا يشترط أن يكون أي من النيوكليونين جسيمًا مضادًا لحدوث فناء زوج من الكواركات أو "اندماج" غلوونين. تُسهم أمثلة هذه العمليات في إنتاج بوزون هيغز الذي طال انتظاره . يُنتج هيغز بشكل مباشر وضعيف جدًا عن طريق فناء كواركات خفيفة (تكافؤ)، ولكن تتوفر أيضًا كواركات ثقيلة من نوع t أو b من نوع البحر أو كواركات مُنتجة. في عام 2012، أعلن مختبر سيرن في جنيف عن اكتشاف هيغز في حطام تصادمات البروتون-بروتون في مصادم الهادرونات الكبير (LHC). ينتج أقوى هيغز عن اندماج غلوونين (عبر فناء زوج من الكواركات الثقيلة)، بينما ينتج عن اندماج كواركين أو كواركين مضادين أحداث يسهل تحديدها من خلال إشعاع هيغز بواسطة بوزون متجه افتراضي مُنتج أو فناء بوزونين متجهين من هذا النوع.
انظر أيضاً
مراجع
الحواشي
- ↑ "المادة المضادة" . مختبر لورانس بيركلي الوطني . مؤرشف من الأصل في 23 أغسطس 2008. تم الاطلاع عليه في 3 سبتمبر 2008 .
- ↑ "النموذج القياسي - اضمحلال الجسيمات وفنائها" . مغامرة الجسيمات: أساسيات المادة والقوة . مختبر لورانس بيركلي الوطني . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 أكتوبر 2011 .
- ↑ ديراك، ب. أ. م. (يوليو 1930). "حول إفناء الإلكترونات والبروتونات" . وقائع الجمعية الفلسفية في كامبريدج . 26 (3): 361-375 . doi : 10.1017/S0305004100016091 . ISSN 1469-8064 .
- ↑ كلوز، إف إي (2009). المادة المضادة . مطبعة جامعة أكسفورد. ص 114. ISBN 978-0-19-955016-6.
- ↑ كراغ، هيلج (1999). الأجيال الكمومية: تاريخ الفيزياء في القرن العشرين . برينستون، نيوجيرسي: مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0-691-21419-1.
- ↑ كوسيرت، د. (29 يونيو 2001). "الإشعاع الناتج عن إفناء الجسيمات" . فيرميلاب . تم الاسترجاع في 17 أكتوبر 2011 .
- ↑ كليمبت، إي.؛ باتي، سي.؛ ريتشارد، جيه.-إم. (2005). "تفاعل النيوكليون المضاد مع النيوكليون عند الطاقة المنخفضة: ديناميكيات الإفناء". تقارير الفيزياء . 413 ( 4-5 ): 197-317 . arXiv : hep-ex/0501020 . Bibcode : 2005PhR...413..197K . doi : 10.1016/j.physrep.2005.03.002 . S2CID 119362276 .
- ↑ تشين، ب.؛ وآخرون (1992). "إنتاج النيوترونات والتوزيعات الزاوية الناتجة عن إفناء البروتون المضاد في حالة السكون في اليورانيوم" . مجلة Physical Review C. 45 ( 5): 2332-2337 . Bibcode : 1992PhRvC..45.2332C . doi : 10.1103/PhysRevC.45.2332 . PMID 9967995 .
الرموز
- كراغ، هـ. (1999). الأجيال الكمومية : تاريخ الفيزياء في القرن العشرين . مطبعة جامعة برينستون . ISBN 0-691-01206-7.
روابط خارجية
- المادة المضادة