Antipartícula - Antiparticle

Diagrama ilustrando as partículas e antipartículas de elétron, nêutron e próton, bem como seu "tamanho" (fora da escala).  É mais fácil identificá-los observando a massa total da antipartícula e da partícula.  À esquerda, de cima para baixo, é mostrado um elétron (pequeno ponto vermelho), um próton (grande ponto azul) e um nêutron (grande ponto, preto no meio, gradualmente desbotando para branco perto das bordas).  À direita, de cima para baixo, são mostrados o anti elétron (pequeno ponto azul), o anti próton (grande ponto vermelho) e o anti nêutron (grande ponto, branco no meio, desbotando para preto perto das bordas).
Ilustração da carga elétrica de partículas (esquerda) e antipartículas (direita). De cima para baixo; elétron / pósitron , próton / antipróton , nêutron / antinêutron .

Na física de partículas , todo tipo de partícula está associado a uma antipartícula com a mesma massa, mas com cargas físicas opostas (como carga elétrica ). Por exemplo, a antipartícula do elétron é o antielétron (muitas vezes referido como pósitron ). Enquanto o elétron tem carga elétrica negativa, o pósitron tem carga elétrica positiva e é produzido naturalmente em certos tipos de decaimento radioativo . O oposto também é verdadeiro: a antipartícula do pósitron é o elétron.

Algumas partículas, como o fóton , são suas próprias antipartículas. Caso contrário, para cada par de parceiros da antipartícula, um é designado como a partícula normal (aquela que ocorre na matéria com a qual geralmente interagimos na vida diária). A outra (geralmente com o prefixo "anti-") é designada antipartícula .

Os pares partícula-antipartícula podem se aniquilar , produzindo fótons ; como as cargas da partícula e da antipartícula são opostas, a carga total é conservada. Por exemplo, os pósitrons produzidos no decaimento radioativo natural se aniquilam rapidamente com os elétrons, produzindo pares de raios gama , um processo explorado na tomografia por emissão de pósitrons .

As leis da natureza são quase simétricas em relação às partículas e antipartículas. Por exemplo, um antipróton e um pósitron podem formar um átomo de anti - hidrogênio , que se acredita ter as mesmas propriedades de um átomo de hidrogênio . Isso leva à questão de por que a formação da matéria após o Big Bang resultou em um universo consistindo quase inteiramente de matéria, em vez de ser uma mistura meio a meio de matéria e antimatéria . A descoberta da violação da paridade de carga ajudou a lançar luz sobre esse problema, mostrando que essa simetria, originalmente considerada perfeita, era apenas aproximada.

Como a carga é conservada , não é possível criar uma antipartícula sem destruir outra partícula da mesma carga (como é por exemplo o caso quando as antipartículas são produzidas naturalmente via decaimento beta ou colisão de raios cósmicos com a atmosfera da Terra), ou por a criação simultânea de uma partícula e de sua antipartícula, que pode ocorrer em aceleradores de partículas como o Large Hadron Collider do CERN .

Embora as partículas e suas antipartículas tenham cargas opostas, as partículas eletricamente neutras não precisam ser idênticas às suas antipartículas. O nêutron, por exemplo, é feito de quarks , o antineutron dos antiquarks , e eles são distinguíveis um do outro porque nêutrons e antineutrons se aniquilam ao entrarem em contato. No entanto, outras partículas neutras são suas próprias antipartículas, como fótons ,  bósons Z 0 ,
π0
 mésons e grávitons hipotéticos e alguns WIMPs hipotéticos .

História

Experimentar

Em 1932, logo após a previsão de pósitrons por Paul Dirac , Carl D. Anderson descobriu que as colisões de raios cósmicos produziram essas partículas em uma câmara de nuvem - um detector de partículas em que elétrons (ou pósitrons) em movimento deixam rastros à medida que se movem através do gás. A relação carga / massa elétrica de uma partícula pode ser medida observando o raio de curvatura de sua trilha de câmara de nuvem em um campo magnético . Os pósitrons, devido à direção em que seus caminhos se curvavam, foram a princípio confundidos com elétrons viajando na direção oposta. Os caminhos de pósitrons em uma câmara de nuvem traçam o mesmo caminho helicoidal de um elétron, mas giram na direção oposta em relação à direção do campo magnético devido ao fato de terem a mesma magnitude da razão carga-massa, mas com carga oposta e, portanto, proporções de carga / massa assinadas opostas.

O antipróton e o antineutron foram encontrados por Emilio Segrè e Owen Chamberlain em 1955 na Universidade da Califórnia, Berkeley . Desde então, as antipartículas de muitas outras partículas subatômicas foram criadas em experimentos com aceleradores de partículas. Nos últimos anos, átomos completos de antimatéria foram reunidos a partir de antiprótons e pósitrons, coletados em armadilhas eletromagnéticas.

Teoria do buraco de Dirac

... o desenvolvimento da teoria quântica de campos tornou desnecessária a interpretação das antipartículas como buracos, embora isso perdure em muitos livros didáticos.

Steven Weinberg

Soluções da equação de Dirac contêm estados quânticos de energia negativa. Como resultado, um elétron sempre pode irradiar energia e cair em um estado de energia negativa. Pior ainda, ele poderia continuar irradiando quantidades infinitas de energia porque havia infinitos estados de energia negativa disponíveis. Para evitar que essa situação não física aconteça, Dirac propôs que um "mar" de elétrons de energia negativa preencha o universo, já ocupando todos os estados de baixa energia de forma que, devido ao princípio de exclusão de Pauli , nenhum outro elétron poderia cair neles. . Às vezes, no entanto, uma dessas partículas de energia negativa pode ser retirada deste mar de Dirac para se tornar uma partícula de energia positiva. Mas, quando levantado, ele deixaria para trás um buraco no mar que agiria exatamente como um elétron de energia positiva com carga invertida. Esses buracos foram interpretados como "elétrons de energia negativa" por Paul Dirac e erroneamente identificados com prótons em seu artigo de 1930, Uma Teoria dos Elétrons e Prótons. No entanto, esses "elétrons de energia negativa" eram pósitrons , e não prótons .

Essa imagem implicava uma carga negativa infinita para o universo - um problema do qual Dirac estava ciente. Dirac tentou argumentar que perceberíamos isso como o estado normal de carga zero. Outra dificuldade era a diferença nas massas do elétron e do próton. Dirac tentou argumentar que isso se devia às interações eletromagnéticas com o mar, até que Hermann Weyl provou que a teoria do buraco era completamente simétrica entre cargas negativas e positivas. Dirac também previu uma reação
e-
 + 
p+
 → 
γ
 + 
γ
, onde um elétron e um próton se aniquilam para dar dois fótons. Robert Oppenheimer e Igor Tamm , entretanto, provaram que isso faria com que a matéria comum desaparecesse rápido demais. Um ano depois, em 1931, Dirac modificou sua teoria e postulou o pósitron , uma nova partícula com a mesma massa do elétron. A descoberta dessa partícula no ano seguinte removeu as duas últimas objeções à sua teoria.

Na teoria de Dirac, o problema da carga infinita do universo permanece. Alguns bósons também têm antipartículas, mas como os bósons não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli (apenas os férmions o fazem), a teoria do buraco não funciona para eles. Uma interpretação unificada de antipartículas está agora disponível na teoria quântica de campos , que resolve esses dois problemas ao descrever a antimatéria como estados de energia negativa do mesmo campo de matéria subjacente, ou seja, partículas se movendo para trás no tempo.

Aniquilação partícula-antipartícula

Diagrama de Feynman de uma oscilação Kaon.  Uma linha reta vermelha de repente fica roxa, mostrando um kaon se transformando em um antikaon.  Um medalhão é mostrado ampliando a região onde a linha muda de cor.  O medalhão mostra que a linha não é reta, mas sim que no local em que o kaon se transforma em antikaon, a linha vermelha se quebra em duas linhas curvas, correspondendo à produção de píons virtuais, que se reúnem na linha violeta, correspondendo ao aniquilamento dos píons virtuais.
Um exemplo de par de píons virtual que influencia a propagação de um kaon , fazendo com que um kaon neutro se misture com o antikaon. Este é um exemplo de renormalização na teoria quântica de campo - a teoria de campo sendo necessária por causa da mudança no número de partículas.

Se uma partícula e uma antipartícula estão nos estados quânticos apropriados, elas podem se aniquilar e produzir outras partículas. Reações como
e-
 + 
e+
 → 
γ

γ
(a aniquilação de dois fótons de um par elétron-pósitron) são um exemplo. A aniquilação de um único fóton de um par elétron-pósitron,
e-
 + 
e+
 → 
γ
, não pode ocorrer no espaço livre porque é impossível conservar energia e momentum juntos neste processo. No entanto, no campo de Coulomb de um núcleo, a invariância translacional é quebrada e a aniquilação de um único fóton pode ocorrer. A reação reversa (no espaço livre, sem núcleo atômico) também é impossível por este motivo. Na teoria quântica de campos, esse processo é permitido apenas como um estado quântico intermediário por tempos curtos o suficiente para que a violação da conservação de energia possa ser acomodada pelo princípio da incerteza . Isso abre o caminho para a produção ou aniquilação de pares virtuais em que um estado quântico de uma partícula pode flutuar para um estado de duas partículas e vice-versa. Esses processos são importantes no estado de vácuo e na renormalização de uma teoria quântica de campos. Ele também abre o caminho para a mistura de partículas neutras por meio de processos como o ilustrado aqui, que é um exemplo complicado de renormalização em massa .

Propriedades

Os estados quânticos de uma partícula e uma antipartícula são trocados pela aplicação combinada de conjugação de carga , paridade e inversão de tempo . e são lineares, operadores unitários, é antilinear e antiunitária ,. Se denota o estado quântico de uma partícula com momentum e spin cujo componente na direção z é , então temos

onde denota o estado de conjugado de carga, ou seja, a antipartícula. Em particular, uma partícula massiva e sua antipartícula se transformam sob a mesma representação irredutível do grupo Poincaré, o que significa que a antipartícula tem a mesma massa e o mesmo spin.

Se , e pode ser definido separadamente nas partículas e antipartículas, então

onde o sinal de proporcionalidade indica que pode haver uma fase no lado direito.

Como anticommutos com as cargas ,, partícula e antipartícula têm cargas elétricas opostas q e -q.

Teoria quântica de campos

Esta seção se baseia nas ideias, linguagem e notação da quantização canônica de uma teoria quântica de campos .

Pode-se tentar quantizar um campo de elétrons sem misturar os operadores de aniquilação e criação escrevendo

onde usamos o símbolo k para denotar os números quânticos p e σ da seção anterior e o sinal da energia, E (k) , e a k denota os operadores de aniquilação correspondentes. Claro, como estamos lidando com férmions , temos que fazer com que os operadores satisfaçam as relações anticomutação canônicas. No entanto, se agora escrevermos o hamiltoniano

então, vê-se imediatamente que o valor esperado de H não precisa ser positivo. Isso ocorre porque E (k) pode ter qualquer sinal, e a combinação dos operadores de criação e aniquilação tem valor esperado 1 ou 0.

Portanto, deve-se introduzir o campo de antipartículas conjugadas de carga , com seus próprios operadores de criação e aniquilação satisfazendo as relações.

onde k tem o mesmo p , e σ oposto e sinal da energia. Em seguida, pode-se reescrever o campo no formulário

onde a primeira soma é sobre os estados de energia positiva e a segunda sobre aqueles de energia negativa. A energia se torna

onde E 0 é uma constante negativa infinita. O estado de vácuo é definido como o estado sem partícula ou antipartícula, ou seja , e . Então, a energia do vácuo é exatamente E 0 . Uma vez que todas as energias são medidas em relação ao vácuo, H é positivo definido. Análise das propriedades de um k e b k mostra que uma é o operador de aniquilação para as partículas e o outro para antiparticles. É o caso de um férmion .

Essa abordagem se deve a Vladimir Fock , Wendell Furry e Robert Oppenheimer . Se quantizarmos um campo escalar real , descobriremos que existe apenas um tipo de operador de aniquilação; portanto, os campos escalares reais descrevem bósons neutros. Uma vez que campos escalares complexos admitem dois tipos diferentes de operadores de aniquilação, que são relacionados por conjugação, tais campos descrevem bósons carregados.

Interpretação de Feynman-Stueckelberg

Ao considerar a propagação dos modos de energia negativa do campo de elétrons para trás no tempo, Ernst Stueckelberg chegaram a um entendimento pictórica do fato de que a partícula e antipartícula tem massa igual m e girar J mas cargas opostas q . Isso lhe permitiu reescrever a teoria da perturbação precisamente na forma de diagramas. Richard Feynman mais tarde deu uma derivação sistemática independente desses diagramas de um formalismo de partícula, e eles agora são chamados de diagramas de Feynman . Cada linha de um diagrama representa uma partícula se propagando para trás ou para frente no tempo. Esta técnica é o método mais difundido de calcular amplitudes na teoria quântica de campos hoje.

Como essa imagem foi desenvolvida por Stueckelberg e adquiriu sua forma moderna no trabalho de Feynman, ela é chamada de interpretação de antipartículas de Feynman-Stueckelberg para homenagear os dois cientistas.

Veja também

Notas

Referências

links externos