يمكن أن تؤدي تصادمات الجزيئات ذات الطاقة العالية إلى إنشاء أزواج أو فوتونات المادة المضادة ، في حين تتلاشى أزواج المادة المضادة لإنتاج الفوتونات ، كما تظهر مسارات غرفة الفقاعة. ولكن ما الذي يحدد ما إذا كان الجسيم هو المادة أو المادة المضادة؟ الصورة الائتمان: Fermilab.

اسأل إيثان: ما الشيء "المناهض" للمادة المضادة؟

هناك الكثير من الخصائص الملازمة للجزيئات ، وعلى الرغم من أن كل شخص لديه جسيم مضاد ، فليس كل شخص مادة أو مادة مضادة.

لكل جسيم من المادة المعروفة بوجودها في الكون ، يوجد نظير مضاد للمادة. تحتوي المادة المضادة على العديد من خصائص المادة العادية ، بما في ذلك أنواع التفاعل التي تمر بها ، وكتلتها ، وحجم شحنتها الكهربائية ، وما إلى ذلك. ولكن هناك بعض الاختلافات الأساسية كذلك. ومع ذلك هناك شيئان مؤكدان حول تفاعلات المادة المضادة: إذا صادمت جسيم مادة مع نظير المادة المضادة ، فهما يهلكان على الفور الطاقة النقية ، وإذا خضعت لأي تفاعل في الكون يخلق جسيم مادة ، فيجب عليك أيضًا إنشاء نظيره المادة المضادة. إذن ما الذي يجعل المادة المضادة "مضادة" على أي حال؟ هذا ما يريد روبرت ناجلي معرفته ، وهو يسأل:

على المستوى الأساسي ، ما هو الفرق بين المادة ونظيرتها المضادة؟ هل هناك نوع من الخاصية الجوهرية التي تسبب الجسيمات لتكون المادة أو المادة المضادة؟ هل هناك بعض الخصائص الجوهرية (مثل الدوران) التي تميز الكواركات والقطع الأثرية؟ ما الذي يضع "المضاد" في المادة المضادة؟

لفهم الإجابة ، نحتاج إلى إلقاء نظرة على جميع الجسيمات (والجسيمات المضادة) الموجودة.

تطيع جزيئات النموذج الجزيئي والجسيمات المضادة جميع أنواع قوانين الحفظ ، ولكن هناك اختلافات جوهرية بين الجسيمات الحديدية والجسيمات المضادة والجزيئات الصوتية. الصورة الائتمان: E. سيجل / ما وراء المجرة.

هذا هو النموذج القياسي للجزيئات الأولية: المجموعة الكاملة للجزيئات المكتشفة في الكون المعروف. هناك عمومًا فئتان من هذه الجسيمات ، البوزونات ، التي لها عدد صحيح يدور (... ، -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، ...) ولا يهم ولا المادة المضادة ، والفرميونات ، التي لها نصف يدور عدد صحيح (... ، -3/2 ، -1/2 ، +1/2 ، +3/2 ، ...) ويجب أن يكون إما جزيئات "من نوع المادة" أو "من نوع المادة المضادة". لأي جسيم يمكنك التفكير في تكوينه ، سيكون هناك عدد كبير من الخصائص المتأصلة فيه ، والتي يحددها ما نسميه الأرقام الكمومية. بالنسبة لجسيم فردي بمعزل ، يتضمن ذلك عددًا من السمات التي من المحتمل أن تكون معتادًا عليها ، بالإضافة إلى بعض الميزات التي قد لا تكون على دراية بها.

تختلف هذه التكوينات المحتملة للإلكترون في ذرة الهيدروجين بشكل غير عادي عن بعضها البعض ، ومع ذلك تمثل جميعها نفس الجسيم الدقيق في حالة كمية مختلفة قليلاً. تحتوي الجسيمات (والجسيمات المضادة) أيضًا على أعداد كمية جوهرية لا يمكن تغييرها ، وهذه الأرقام هي المفتاح في تحديد ما إذا كان الجسيم مهمًا أم مضادًا أم لا. الصورة الائتمان: PoorLeno / ويكيميديا ​​كومنز.

الأشياء السهلة هي أشياء مثل الشحن الشامل والكهربائي. للإلكترون ، على سبيل المثال ، كتلة راحة تبلغ 9.11 × 10 ^ -31 كجم ، وشحنة كهربائية تبلغ -1.6 × 10 ^ -19 C. يمكن للإلكترونات أيضًا الارتباط مع البروتونات لإنتاج ذرة هيدروجين ، بسلسلة من الخطوط الطيفية وميزات الانبعاثات / الامتصاص القائمة على القوة الكهرومغناطيسية بينهما. تحتوي الإلكترونات على تدور إما +1 / أو -1/2 ، وعدد لبتون من +1 ، وعدد من عائلة لبتون يبلغ +1 للعائلة (الإلكترون) الأولى من العائلات الثلاثة (إلكترون ، مو ، تاو). (سنتجاهل أعدادًا مثل الإيزوسبين الضعيف والفرط الشديد في الشحن ، للبساطة.)

بالنظر إلى هذه الخصائص للإلكترون ، يمكننا أن نسأل أنفسنا عن الشكل الذي سيحتاجه النظير المضاد للإلكترون ، بناءً على القواعد التي تحكم الجسيمات الأولية.

في ذرة هيدروجين بسيطة ، يدور إلكترون واحد بروتون واحد. في ذرة الهيدروجين المضاد ، يدور بوزيترون واحد (مضاد للإلكترون) في بروتون مضاد واحد. البوزيترونات والبروتونات المضادة هي نظائر المادة المضادة للإلكترونات والبروتونات ، على التوالي. الصورة الائتمان: لورانس بيركلي مختبرات.

يجب أن تظل أحجام جميع الأرقام الكمية كما هي. ولكن بالنسبة للجسيمات المضادة ، يجب عكس علامات هذه الأرقام الكمية. بالنسبة لمضاد الإلكترون ، هذا يعني أنه يجب أن يكون لديه أرقام الكم التالية:

  • كتلة راحة 9.11 × 10 ^ –31 كجم ،
  • شحنة كهربائية تبلغ +1.6 × 10 ^ –19 C ،
  • تدور من (على التوالي) إما -1/2 أو +1/2 ،
  • عدد اللبتون -1 ،
  • وعدد عائلة اللبتون -1 بالنسبة لعائلة اللبتون الأولى (الإلكترون).

وعندما تربطها مع بروتون مضاد ، يجب أن تنتج بالضبط نفس السلسلة من الخطوط الطيفية وميزات الانبعاثات / الامتصاص التي أنتجها نظام الإلكترون / البروتون.

تُظهر التحولات الإلكترونية في ذرة الهيدروجين ، إلى جانب الأطوال الموجية للفوتونات الناتجة ، تأثير طاقة الارتباط والعلاقة بين الإلكترون والبروتون في فيزياء الكم. تم التحقق من أن الخطوط الطيفية بين البوزيترونات والبروتونات المضادة هي نفسها تمامًا. رصيد الصورة: مستخدمي ويكيميديا ​​كومنز Szdori و OrangeDog.

كل هذه الحقائق تم التحقق منها تجريبيا. الجسيم المطابق لهذا الوصف الدقيق للإلكترون المضاد هو الجسيم المعروف باسم البوزيترون! السبب في ذلك ضروري عندما تفكر في كيفية صنع المادة والمواد المضادة: أنت عادة ما تجعلهم من لا شيء. وهذا يعني ، إذا كنت تصطدم بجسيمين معًا بقدرة عالية بما يكفي ، فيمكنك غالبًا إنشاء زوج إضافي "مضاد للجسيمات" من الطاقة الزائدة (من E = mc2 Einstein) ، والتي تحفظ الطاقة.

عندما تصطدم بجسيم ما بجسيمها المضاد ، يمكن أن تقضي على الطاقة النقية. هذا يعني أنه في حالة تصادم أي جسيمين على الإطلاق مع طاقة كافية ، يمكنك إنشاء زوج مادة مضادة. الصورة الائتمان: أندرو Deniszczyc ، 2017.

لكنك لست بحاجة فقط للحفاظ على الطاقة ؛ هناك عدد كبير من الأرقام الكمومية التي يجب عليك حفظها أيضًا! وهذه تشمل كل ما يلي:

  • الشحنة الكهربائية،
  • الزخم الزاوي (الذي يجمع بين الزخم الزاوي "الزاوي" و "الزاوي" المداري ؛ بالنسبة للجزيئات الفردية غير المربوطة ، وهذا هو "الدوران" فقط) ،
  • رقم ليبتون ،
  • رقم بريون ،
  • رقم عائلة ليبتون ،
  • وتهمة اللون.

من بين هذه الخصائص الجوهرية ، هناك نوعان يعرّفانك إما "بالأمر" أو "المادة المضادة" ، وهما "رقم الباريون" و "رقم اللبتون".

في بداية الكون ، كانت المجموعة الكاملة من الجزيئات وجزيئات المادة المضادة لديها وفيرة بشكل غير عادي ، ولكن عندما تم تبريد الكون ، تم القضاء على الغالبية. إن كل المواد التقليدية التي تركناها اليوم هي من الكواركات واللبتونات ، بأعداد إيجابية من الباريون واللبتون ، والتي فاقت نظرائها في الآثار القديمة والنتيلبتون. (يتم عرض الكواركات والكوارك القديمة هنا فقط.) صورة الائتمان: E. سيجل / ما وراء المجرة.

إذا كان أي من هذه الأرقام موجبًا ، فأنت مهم. لهذا السبب تعد الكواركات (التي يكون لكل منها عدد من الباريون +1/3) ، والإلكترونات ، والميونات ، والتاوس ، والنيوتريونات (التي تحتوي كل منها على عدد لبتون من +1) جميعها مهمة ، في حين أن الكواكب الأثرية والبوزيترونات ومضادات الميونات والمضادة للتاوس ، ومضادات النيوترونات كلها مادة مضادة. هذه هي كل الفرميونات والأدوية المضادة ، وكل فرميون هو جسيم مهم في حين أن كل مضاد للفيروسات هو جسيم مضاد للمادة.

جزيئات النموذج القياسي ، مع كتل (في MeV) في الجزء العلوي الأيمن. يشكل الفرميون الأعمدة الثلاثة اليسرى. ملء bosons العمودين الأيمن. في حين أن جميع الجسيمات لها جسيم مضاد ، إلا أن الفرميونات هي المادة أو المادة المضادة. رصيد الصورة: مستخدم ويكيميديا ​​، MissMJ ، PBS NOVA ، Fermilab ، مكتب العلوم ، وزارة الطاقة بالولايات المتحدة ، مجموعة بيانات الجسيمات.

ولكن هناك أيضا البوزونات. هناك gluons التي تحتوي على جزيئاتها على gluons من مجموعات الألوان المعاكسة ؛ هناك W + وهو جسيم مضاد لـ W- (مع شحنة كهربائية معاكسة) ، وهناك Z0 ، وبوز Higgs ، والفوتون ، وهما جسيماتهم المضادة الخاصة. ومع ذلك ، فإن البوزونات ليست مهمة ولا المادة المضادة. بدون رقم اللبتون أو رقم الباريون ، قد يكون لهذه الجسيمات شحنة كهربائية أو شحوم ملونة أو يدور وما إلى ذلك ، لكن لا يمكن لأحد أن يطلق على نفسه حقًا "المسألة" أو "المادة المضادة" ونظيرتها المضادة للجسيمات. في هذه الحالة ، تكون البوزونات مجرد بوزونات ، وإذا لم يكن لها أي رسوم ، فهي ببساطة جسيمات مضادة لها.

على جميع المقاييس في الكون ، من منطقتنا المحلية إلى الوسط البينجمي إلى المجرات الفردية إلى التجمعات إلى الخيوط والشبكة الكونية العظيمة ، يبدو أن كل شيء نلاحظه مصنوع من مادة عادية وليس من مادة مضادة. هذا لغز غامض. رصيد الصورة: ناسا ، وكالة الفضاء الأوروبية ، وفريق هابل للتراث (STScI / AURA).

إذن ما الذي يضع "مضاد" في المادة المضادة؟ إذا كنت جسيمًا منفردًا ، فإن جسيمك المضاد هو نفس الكتلة التي تمتلكها مع كل الأرقام الكمومية المحفوظة: إنه الجسيم القادر على الإبادة معك إلى الطاقة النقية إذا التقى الاثنين. ولكن إذا كنت تريد أن تكون مهمًا ، فأنت بحاجة إلى الحصول على رقم باريون موجب أو رقم لبتون إيجابي. إذا كنت تريد أن تكون مادة مضادة ، يجب أن يكون لديك رقم بريون سلبي أو رقم ليبتون سالب. علاوة على ذلك ، لا يوجد سبب أساسي معروف لكوننا قد فضلوا المادة على المادة المضادة ؛ ما زلنا لا نعرف كيف تم كسر هذا التماثل. (على الرغم من أن لدينا أفكار.) إذا كانت الأمور قد تغيرت بشكل مختلف ، فربما نطلق على كل ما قد صنعناه من "المسألة" و "المادة المضادة" المعاكسة لها ، ولكن من سيحصل على الاسم التعسفي تمامًا. كما هو الحال في كل شيء ، فإن الكون متحيز تجاه الناجين.

أرسل أسئلتك في إيثان إلى ويبتابانج في gmail dot com!

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف".