الجسيمات المضادة

في فيزياء الجسيمات ، يرتبط كل نوع من جسيمات المادة "العادية" (على عكس المادة المضادة ) بجسيم مضاد له نفس الكتلة ولكن بشحنة فيزيائية معاكسة (مثل الشحنة الكهربائية ). على سبيل المثال، الجسيم المضاد للإلكترون هو البوزيترون ( المعروف أيضًا باسم الإلكترون المضاد). بينما يحمل الإلكترون شحنة كهربائية سالبة، يحمل البوزيترون شحنة كهربائية موجبة، وينتج بشكل طبيعي في أنواع معينة من التحلل الإشعاعي . وينطبق العكس أيضًا: الجسيم المضاد للبوزيترون هو الإلكترون.

بعض الجسيمات، مثل الفوتون ، هي جسيمات مضادة لنفسها. أما في غير ذلك، فلكل زوج من الجسيمات المضادة، يُسمى أحدهما بالجسيم العادي (الذي يوجد في المادة التي نتفاعل معها عادةً في حياتنا اليومية). أما الآخر (الذي يُسبق عادةً بالبادئة "مضاد") فيُسمى بالجسيم المضاد .

يمكن لأزواج الجسيمات ومضاداتها أن تفني بعضها بعضًا، منتجةً فوتونات؛ ولأن شحنات الجسيم ومضاده متعاكسة، فإن الشحنة الكلية محفوظة. على سبيل المثال، تفني البوزيترونات الناتجة عن التحلل الإشعاعي الطبيعي نفسها بسرعة مع الإلكترونات، منتجةً أزواجًا من أشعة غاما ، وهي عملية تُستغل في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني .

تتسم قوانين الطبيعة بتناظر شبه تام فيما يتعلق بالجسيمات والجسيمات المضادة. فعلى سبيل المثال، يمكن لبروتون مضاد وبوزيترون أن يُشكلا ذرة هيدروجين مضادة ، والتي يُعتقد أنها تمتلك نفس خصائص ذرة الهيدروجين . وهذا يثير التساؤل حول سبب كون الكون ، بعد الانفجار العظيم، يتكون بالكامل تقريبًا من المادة، بدلًا من كونه مزيجًا متساويًا من المادة والمادة المضادة . وقد ساهم اكتشاف انتهاك تكافؤ الشحنة في إلقاء الضوء على هذه المشكلة، مُبينًا أن هذا التناظر، الذي كان يُعتقد في الأصل أنه مثالي، لم يكن سوى تناظر تقريبي. ومع ذلك، يبقى السؤال بلا إجابة، والتفسيرات المقدمة حتى الآن غير مُرضية تمامًا.

لأن الشحنة محفوظة ، فليس من الممكن إنشاء جسيم مضاد دون تدمير جسيم آخر من نفس الشحنة (كما هو الحال على سبيل المثال عندما يتم إنتاج الجسيمات المضادة بشكل طبيعي عن طريق تحلل بيتا أو اصطدام الأشعة الكونية بالغلاف الجوي للأرض)، أو عن طريق الإنشاء المتزامن لكل من الجسيم وجسيمه المضاد (إنتاج الزوج)، والذي يمكن أن يحدث في مسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير في CERN .

الجسيمات ونظائرها لها شحنات متساوية ومتعاكسة، لذا فإن الجسيم غير المشحون ينتج عنه أيضًا جسيم مضاد غير مشحون. في كثير من الحالات، يتطابق الجسيم المضاد مع الجسيم ^: أزواج الفوتونات ، بوزونات Z₀ ^،  π₀ تتلاشى الميزونات ، والجرافيتونات الافتراضية ، وبعض الجسيمات المتفاعلة ضعيفة الكتلة (WIMPs) الافتراضية ، جميعها ذاتيًا. ومع ذلك، لا يشترط أن تكون الجسيمات المتعادلة كهربائيًا مطابقة لجسيماتها المضادة: على سبيل المثال، النيوترون والنيوترون المضاد مختلفان.

إذا كان الجسيم والجسيم المضاد في الحالات الكمومية المناسبة، فإنهما يستطيعان إفناء بعضهما البعض وإنتاج جسيمات أخرى. تفاعلات ^مثل e− + هـ ⁺  → γ γ (إفناء زوج إلكترون-بوزيترون بفوتونين) مثال على ذلك. إفناء زوج إلكترون-بوزيترون بفوتون واحد، e ⁻  + هـ ⁺  لا يمكن أن يحدث تفاعل → γ في الفضاء الحر لأنه من المستحيل الحفاظ على الطاقة والزخم معًا في هذه العملية. مع ذلك، في مجال كولوم للنواة، ينكسر التناظر الانتقالي ، وقد يحدث إفناء الفوتون الواحد. ^{[ 10 ]} التفاعل العكسي (في الفضاء الحر، بدون نواة ذرية) مستحيل أيضًا لهذا السبب. في نظرية الحقل الكمومي، يُسمح بهذه العملية فقط كحالة كمومية وسيطة لفترات زمنية قصيرة بما يكفي لاستيعاب انتهاك حفظ الطاقة بواسطة مبدأ عدم اليقين . هذا يفتح المجال لإنتاج أو إفناء الأزواج الافتراضية، حيث يمكن أن تتقلب حالة كمومية أحادية الجسيم إلى حالة ثنائية الجسيم ثم تعود. هذه العمليات مهمة في حالة الفراغ وإعادة تطبيع نظرية الحقل الكمومي. كما أنها تفتح المجال لخلط الجسيمات المتعادلة من خلال عمليات مثل تلك الموضحة هنا، وهي مثال معقد لإعادة تطبيع الكتلة . 

يتم تبادل الحالات الكمومية للجسيم والجسيم المضاد من خلال التطبيق المشترك لترافق الشحنة.${\displaystyle C}$، التكافؤ${\displaystyle P}$وعكس الزمن${\displaystyle T}$. ${\displaystyle C}$و${\displaystyle P}$هي مؤثرات خطية ووحدوية،${\displaystyle T}$هو مضاد للخطية ومضاد للوحدة، ${\displaystyle \langle \Psi |T\,\Phi \rangle =\langle \Phi |T^{-1}\,\Psi \rangle }$. لو${\displaystyle |p,\sigma ,n\rangle }$يشير إلى الحالة الكمومية للجسيم${\displaystyle n}$ مع الزخم${\displaystyle p}$وتدور${\displaystyle J}$مركبتها في اتجاه المحور z هي${\displaystyle \sigma }$ثم يكون لدى المرء

${\displaystyle CPT\ |p,\sigma ,n\rangle \ =\ (-1)^{J-\sigma }\ |p,-\sigma ,n^{c}\rangle ,}$

أين${\displaystyle n^{c}}$يشير الرمز إلى حالة الشحنة المترافقة، أي الجسيم المضاد. وعلى وجه الخصوص، يتحول الجسيم ذو الكتلة وجسيمه المضاد تحت نفس التمثيل غير القابل للاختزال لمجموعة بوانكاريه، مما يعني أن الجسيم المضاد له نفس الكتلة ونفس اللف المغزلي.

لو${\displaystyle C}$،${\displaystyle P}$و${\displaystyle T}$ يمكن تعريفها بشكل منفصل على الجسيمات والجسيمات المضادة، ثم

${\displaystyle T\ |p,\sigma ,n\rangle \ \propto \ |-p,-\sigma ,n\rangle ,}$

${\displaystyle CP\ |p,\sigma ,n\rangle \ \propto \ |-p,\sigma ,n^{c}\rangle ,}$

${\displaystyle C\ |p,\sigma ,n\rangle \ \propto \ |p,\sigma ,n^{c}\rangle ,}$

حيث تشير علامة التناسب إلى أنه قد يكون هناك طور على الجانب الأيمن.

مثل${\displaystyle CPT}$يعارضون التنقل مع التهم الموجهة إليهم،${\displaystyle CPT\,Q=-Q\,CPT}$، الجسيم والجسيم المضاد لهما شحنات كهربائية متعاكسة q و -q.

يستند هذا القسم إلى الأفكار واللغة والرموز الخاصة بالتكميم المتعارف عليه لنظرية المجال الكمي .

يمكن للمرء محاولة تكميم مجال الإلكترون دون خلط عوامل الإفناء والإنشاء عن طريق كتابة

${\displaystyle \psi (x)=\sum _{k}u_{k}(x)a_{k}e^{-iE(k)t},\,}$

حيث نستخدم الرمز k للدلالة على الأعداد الكمومية p و σ من القسم السابق، وعلى إشارة الطاقة E(k) ، و a _k للدلالة على مؤثرات الإفناء المقابلة. وبطبيعة الحال، بما أننا نتعامل مع فرميونات ، فلا بد أن تحقق المؤثرات علاقات التبادل المضاد المتعارف عليها. ومع ذلك، إذا كتبنا الآن الهاميلتوني

${\displaystyle H=\sum _{k}E(k)a_{k}^{\dagger }a_{k},\,}$

يتضح فورًا أن القيمة المتوقعة لـ H ليست بالضرورة موجبة. وذلك لأن E(k) يمكن أن تأخذ أي إشارة، ومجموع عاملي الإنشاء والإفناء له قيمة متوقعة تساوي 1 أو 0.

لذا، يجب إدخال مجال الجسيمات المضادة المترافقة للشحنة ، مع عوامل الإنشاء والإفناء الخاصة به التي تحقق العلاقات التالية

${\displaystyle b_{k\prime }=a_{k}^{\dagger }\ \mathrm {and} \ b_{k\prime }^{\dagger }=a_{k},\,}$

حيث يكون لـ k نفس قيمة p ، و σ وإشارة الطاقة معاكسة. عندئذٍ يمكن إعادة كتابة المجال بالشكل التالي:

${\displaystyle \psi (x)=\sum _{k_{+}}u_{k}(x)a_{k}e^{-iE(k)t}+\sum _{k_{-}}u_{k}(x)b_{k}^{\dagger }e^{-iE(k)t},\,}$

حيث يكون المجموع الأول على حالات الطاقة الموجبة، والثاني على حالات الطاقة السالبة. تصبح الطاقة

${\displaystyle H=\sum _{k_{+}}E_{k}a_{k}^{\dagger }a_{k}+\sum _{k_{-}}|E(k)|b_{k}^{\dagger }b_{k}+E_{0},\,}$

حيث E₀ ثابت سالب لانهائي. تُعرَّف حالة الفراغ بأنها الحالة التي لا تحتوي على جسيم أو جسيم _مضاد ، أي${\displaystyle a_{k}|0\rangle =0}$و${\displaystyle b_{k}|0\rangle =0}$_{إذن ،} طاقة الفراغ هي E₀ بالضبط _. وبما أن جميع الطاقات تُقاس بالنسبة للفراغ، _فإن H موجبة تمامًا. يُظهر تحليل خصائص ak و bk أن أحدهما عامل إفناء للجسيمات والآخر للجسيمات المضادة. وهذا ينطبق على الفرميون .

يعود الفضل في هذا النهج إلى فلاديمير فوك ، وويندل فوري، وروبرت أوبنهايمر . عند تكميم حقل قياسي حقيقي ، نجد أن هناك نوعًا واحدًا فقط من مؤثرات الإفناء؛ لذا، تصف الحقول القياسية الحقيقية البوزونات المتعادلة. أما الحقول القياسية المركبة، فتسمح بنوعين مختلفين من مؤثرات الإفناء، يرتبطان بالاقتران، وبالتالي تصف هذه الحقول البوزونات المشحونة.

• فاينمان، آر بي (1987). "سبب وجود الجسيمات المضادة". في آر بي فاينمان؛ إس. واينبرغ (محرران). محاضرات ديراك التذكارية لعام 1986. مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 0-521-34000-4.
• واينبرغ، س. (1995). نظرية الكم للحقول، المجلد 1: الأسس . مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 0-521-55001-7.

• Phản hạt في القاموس الموسوعي لفيتنام
• المادة المضادة في سيرن