حرب الجسيمات والجسيمات المضادة. حرب الجسيمات والجسيمات المضادة تاريخ اكتشاف الجسيمات المضادة

نشأت فرضية الجسيم المضاد لأول مرة في عام 1928 ، عندما تنبأ P. Dirac ، على أساس معادلة الموجة النسبية ، بوجود البوزيترون (انظر الفقرة 263) ، الذي اكتشفه ك. أندرسون بعد أربع سنوات كجزء من الإشعاع الكوني.

الإلكترون والبوزيترون ليسا الزوج الوحيد من الجسيمات والجسيمات المضادة. على أساس نظرية الكم النسبية ، توصلوا إلى استنتاج مفاده أنه لكل جسيم أولي يجب أن يكون هناك جسيم مضاد (مبدأ اقتران الشحنة). تظهر التجارب أنه ، مع استثناءات قليلة (على سبيل المثال ، الفوتون و p 0 -meson) ، في الواقع ، كل جسيم يتوافق مع جسيم مضاد.

يترتب على الأحكام العامة لنظرية الكم أن الجسيمات والجسيمات المضادة يجب أن يكون لها نفس الكتل ، ونفس الأعمار في الفراغ ، ونفس المعامل ولكن معاكسة في الشحنات الكهربائية (واللحظات المغناطيسية) ، ونفس السبين والدوران النظيري ، ونفس الشيء الأرقام الكمية الأخرى ، المنسوبة إلى الجسيمات الأولية لوصف قوانين تفاعلها (رقم ليبتون (انظر الفقرة 275) ، رقم الباريون (انظر الفقرة 275) ، الغرابة (انظر الفقرة 274) ، السحر (انظر الفقرة 275) ، إلخ.) . حتى عام 1956 ، كان يُعتقد أن هناك تناسقًا تامًا بين الجسيمات والجسيمات المضادة ، أي إذا حدثت عملية ما بين الجسيمات ، فلا بد من وجود نفس العملية (بنفس الخصائص) بين الجسيمات المضادة. ومع ذلك ، في عام 1956 ، تم إثبات أن مثل هذا التناظر مميز فقط للتفاعلات القوية والكهرومغناطيسية وينتهك بالنسبة للتفاعلات الضعيفة.

وفقًا لنظرية ديراك ، يجب أن يؤدي تصادم الجسيم مع الجسيم المضاد إلى الفناء المتبادل بينهما ، مما يؤدي إلى ظهور جسيمات أولية أو فوتونات أخرى. مثال على ذلك هو التفاعل المدروس (263.3) لإبادة زوج إلكترون-بوزيترون (-1 0 ه+ + 1 0 ه® 2 جم).

بعد تأكيد وجود البوزيترون المتنبأ به نظريًا بشكل تجريبي ، نشأ السؤال حول وجود البروتون المضاد والمضاد النيوترون. تظهر الحسابات أنه من أجل إنشاء زوج جسيم - جسيم مضاد ، من الضروري إنفاق طاقة تتجاوز طاقة الراحة المزدوجة للزوج ، حيث يجب نقل الجسيمات طاقة حركية كبيرة جدًا. لإنشاء زوج p-p̃ ، يلزم طاقة تبلغ 4.4 جيجا إلكترون فولت تقريبًا. تم بالفعل اكتشاف البروتون المضاد بشكل تجريبي (1955) أثناء تشتت البروتونات (التي تم تسريعها عند أكبر سنكروفازوترون آنذاك في جامعة كاليفورنيا) بواسطة نيوكليونات من النوى المستهدفة (كان النحاس بمثابة الهدف) ، ونتيجة لذلك كان هناك زوج p - p̃ ولد.

يختلف البروتون المضاد عن البروتون في علامات الشحنة الكهربائية وعزمه المغناطيسي. يمكن للبروتون المضاد أن يبيد ليس فقط بالبروتون ، ولكن أيضًا بالنيوترون:

(273.1) (273.2) (273.3)

بعد عام (1956) ، نجح نفس المسرع في الحصول على مضاد نيوترون (ñ) وتنفيذ فنائه. نشأت مضادات النيوترونات نتيجة لتبادل شحنة البروتونات المضادة أثناء تحركها خلال المادة. يتكون تفاعل تبادل الشحنة р من تبادل الشحنات بين نواة ونواة مضادة ويمكن أن يستمر وفقًا للمخططات

(273.4) (273.5)

يختلف مضاد النيوترون ñ عن النيوترون في إشارة عزمه المغناطيسي. إذا كانت البروتونات المضادة عبارة عن جزيئات مستقرة ، فإن مضاد النيوترون الحر ، إذا لم يتعرض للفناء ، في النهاية يخضع للتحلل وفقًا للمخطط

تم العثور أيضًا على الجسيمات المضادة لـ p + meson و kaons و hyperons (انظر الفقرة 274). ومع ذلك ، هناك جسيمات لا تحتوي على جسيمات مضادة - وهي ما يسمى بالجسيمات المحايدة حقًا. وتشمل هذه الفوتون و p ° -meson و η-meson (كتلته 1074m e ، وعمره 7 × 10 -19 s ؛ يتحلل مع تكوين p-mesons و-quanta). الجسيمات المحايدة حقًا ليست قادرة على الإبادة ، لكنها تتعرض لتحولات متبادلة ، والتي هي الخاصية الأساسية لجميع الجسيمات الأولية. يمكننا القول أن كل من الجسيمات المحايدة حقًا متطابق مع الجسيم المضاد.

كان من الأمور ذات الأهمية الكبيرة والصعوبات الخطيرة إثبات وجود مضادات النترينو والإجابة على سؤال ما إذا كانت النيوترينوات ومضادات النترينو جسيمات متطابقة أو مختلفة. باستخدام تدفقات قوية من مضادات النيترينو التي تم الحصول عليها في المفاعلات (الأجزاء الانشطارية من تجربة النوى الثقيلة β- الاضمحلال ، ووفقًا لـ (258.1) ، تنبعث مضادات النترينو) ، قام الفيزيائيان الأمريكيان F.Rines و K. Cowan (1956) بتسجيل تفاعل التقاط إلكترون antineutrino بواسطة البروتون:

وبالمثل ، يتم إصلاح تفاعل التقاط إلكترون نيوترينو بواسطة نيوترون:

وبالتالي ، فإن ردود الفعل (273.6) و (273.7) كانت ، من ناحية ، دليلًا لا جدال فيه على أن v هو ṽ ه، هي جسيمات حقيقية ، وليست مفاهيم خيالية تم تقديمها فقط لشرح β-decay ، ومن ناحية أخرى ، أكدت الاستنتاج القائل بأن v هو ṽ ه- جسيمات مختلفة.

بعد ذلك ، أظهرت التجارب على إنتاج وامتصاص نيوترينوات الميون ذلك الخامس مو ṽ م جسيمات مختلفة. ثبت أيضًا أن الزوج ضد ه, الخامس مهي جسيمات مختلفة ، والزوج v ه، الخامس هليس مثل الزوجين الخامس م، ṽ م وفقًا لفكرة B.M. Pontecorvo (انظر الفقرة 271) ، تم إجراء تفاعل التقاط نيوترينو الميون (تم الحصول عليه عن طريق اضمحلال p + ®m + v m (271.1)) بواسطة النيوترونات وكانت الجسيمات الناتجة لاحظ. اتضح أن التفاعل (273.7) لا يحدث ، ويتم الالتقاط وفقًا للمخطط

أي ، بدلاً من الإلكترونات ، ولدت m - -muons في التفاعل. أكد هذا الفرق بين v هو vm

وفقًا للمفاهيم الحديثة ، تختلف النيوترينوات ومضادات النيوترينوات عن بعضها البعض في إحدى الخصائص الكمومية لحالة الجسيم الأولي - spnality ، التي تُعرَّف بأنها إسقاط دوران الجسيم في اتجاه حركته (لكل زخم). لشرح البيانات التجريبية ، يُفترض أن لفات النيوترينو موجهة بشكل معاكس للزخم p ، أي أن الاتجاهين p و s يشكلان برغيًا أعسرًا والنيوترينو له حلزونية أعسر (الشكل 349 ، أ) ). بالنسبة لمضادات النيترينو ، تشكل اتجاهات p و s برغيًا صحيحًا ، أي أن antineutrino له شوكة صحيحة (الشكل 349 ، ب).هذه الخاصية صالحة على حد سواء لكل من نيوترينوات الإلكترون والميون (antineutrinos).

من أجل استخدام الحلزونية كسمة للنيوترينوات (مضادات النيترينو) ، يجب افتراض أن كتلة النيوترينو صفرية. أتاح إدخال الحلزونية شرح ، على سبيل المثال ، انتهاك قانون الحفاظ على التكافؤ (انظر الفقرة 274) في حالة التفاعلات الضعيفة التي تسبب تحلل الجسيمات الأولية وانحلال بيتا. لذلك ، تم تعيين m - -muon للطائرة اليمنى ، m + -muon - يسار.

بعد اكتشاف مثل هذا العدد الكبير من الجسيمات المضادة ، نشأت مهمة جديدة - العثور على مضادات النوى ، وبعبارة أخرى ، لإثبات وجود المادة المضادة ، التي تتكون من الجسيمات المضادة ، تمامًا مثل المادة من الجسيمات. تم اكتشاف Antinuclei بالفعل. تم الحصول على أول مضاد للنواة ، وهو antideuteron (حالة مرتبطة بـ p̃ و ñ) ، في عام 1965 من قبل مجموعة من الفيزيائيين الأمريكيين بقيادة L. .

ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن إمكانية الفناء عند مواجهة الجسيمات لا تسمح للجسيمات المضادة بالوجود بين الجسيمات لفترة طويلة. لذلك ، من أجل حالة مستقرة من المادة المضادة ، يجب عزلها عن المادة. إذا كان هناك تراكم للمادة المضادة بالقرب من الجزء المعروف لنا من الكون ، فلا بد من ملاحظة إشعاع الإبادة القوي (الانفجارات مع إطلاق كميات هائلة من الطاقة). ومع ذلك ، لم يسجل علماء الفيزياء الفلكية أي شيء من هذا القبيل حتى الآن. أجريت الأبحاث للبحث عن مضادات النوى (المادة المضادة في نهاية المطاف) ، والنجاحات الأولى التي تحققت في هذا الاتجاه لها أهمية أساسية لمزيد من المعرفة ببنية المادة.

تعودنا على استخدام مضاد-للدلالة على الكيانات المقابلة. على سبيل المثال ، البطل والمناهض للبطل في فيلم مغامرات يخوض معركة مريرة. ومع ذلك ، في العالم المصغر ، لا تتعارض الجسيمات والجسيمات المضادة تمامًا مع بعضها البعض. الجسيم والجسيم المضاد لهما نفس الكتلة ، والعمر ، والدوران ، وتختلف الشحنة فقط. ولكن ليس كل شيء بهذه البساطة هنا أيضًا.

ما هي الجسيمات المضادة

كقاعدة عامة ، من مقاعد المدرسة ، يفهم معظم الناس الشحنة الكهربائية فقط على أنها شحنة. في الواقع ، إذا أخذنا في الاعتبار الإلكترون والجسيم المضاد له - البوزيترون ، فإنهما يختلفان تمامًا في الشحنة الكهربائية: للإلكترون شحنة كهربائية سالبة ، والبوزيترون له شحنة موجبة. ومع ذلك ، بالإضافة إلى الكهرومغناطيسية ، هناك أيضًا تفاعلات جاذبية وقوية وضعيفة ، ولكل منها أيضًا شحناته الخاصة. لنفترض أن البروتون ، الذي يحتوي على شحنة كهربائية موجبة ، والبروتون المضاد ، الذي له شحنة كهربائية سالبة ، في تفاعل قوي يكتسب شحنة باريون (أو رقم باريون) يساوي +1 للبروتون و -1 للبروتون المضاد . لذلك ، إذا لم تكن هناك شحنة كهربائية ، على سبيل المثال ، كما في النيوترون وضد النيوترون ، فإن الجسيمات شديدة التفاعل لا تزال تختلف في عدد الباريون ، وهو +1 للنيوترون و -1 لمضاد النيوترون.

هل توجد حالات تساوي فيها الشحنات الكهربائية والباريونية صفرًا؟ نعم ، على سبيل المثال ، في حالة الميزونات. وهي مكونة من كوارك وكوارك مضاد ، وبحكم التعريف ، فإن شحنة الباريون الخاصة بها هي صفر. ضع في اعتبارك ، على سبيل المثال ، K-mesons المحايدة كهربائيًا - وهي جسيمات مذهلة تم فيها اكتشاف انتهاك للتكافؤ المكاني والشحنة المشترك. يوجد ميزون K0 وميزون مضاد لـ K0. الشحنات الكهربائية والباريونية لكلا الجسيمين تساوي الصفر. لماذا إذن يعتبرون جسيمًا وجسيمًا مضادًا؟ في هذه الحالة ، يختلف تكوين الكوارك للميزونات. يتكون الميزون K0 من الكوارك المضاد والكوارك d. على العكس من ذلك ، فإن الميزون المضاد لـ K0 يتكون من كوارك s و anti-d-quark. الكوارك الغريب لديه رقم كمي جديد أو شحنة - غرابة. تختلف الغرابة بين الكواركات s والكواركات المضادة ، تمامًا كما تختلف شحنة الباريون بالنسبة للبروتونات والبروتونات المضادة ؛ للكواركات d و d-antiquarks عدد كمي خاص بها يشبه الغرابة. هذه الشحنات تجعل من الممكن التمييز بين K0 كهربيًا وباريون متعادل ومضاد K0 الميزونات.

ومع ذلك ، يحدث أن الجسيمات والجسيمات المضادة متطابقة. على سبيل المثال ، الميزون φ ، الذي يتكون من كوارك مضاد و كوارك ، وجسيمه المضاد ، على العكس من ذلك ، يتكون من كوارك مضاد و كوارك مضاد. اتضح أن φ-meson هو جسيم مضاد خاص به. في الواقع ، هناك العديد من الجسيمات المشابهة لـ φ الميزون. أشهرها على الأرجح J / ψ meson ، والذي يتكون من كوارك ساحر وكوارك مضاد. الفوتونات متطابقة أيضًا مع نفسها. وحاملات التفاعل الضعيف - بوزونات Z0 - أيضًا. لكن هناك جسيمًا أوليًا واحدًا لم يتم توضيح الإجابة على سؤال ما إذا كان متطابقًا مع نفسه. هذا الجسيم هو نيوترينو. إنه يشارك فقط في التفاعلات الضعيفة والجاذبية. ومع ذلك ، فإن تفاعل الجاذبية في مقاييس الطاقة المتاحة حاليًا لا يلعب أي دور. لذلك ، يمكننا القول أن النيوترينو يشارك فقط في التفاعلات الضعيفة. هناك طريقتان لوصف حالات النيوترينو في نظرية المجال الكمومي. الأول هو ما يسمى بنهج ديراك ، حيث تعتبر النيوترينوات ومضادات النوترينوات غير متطابقة مع بعضها البعض. بعبارة أخرى ، من وجهة نظر المنظرين ، فإن النيوترينوات ومضادات النوترينوات تشبه الإلكترون والبوزيترون. والثاني هو نهج ماجورانا ، حيث تعتبر النيوترينوات ومضادات النوترينوات متطابقة مع بعضها البعض. يمكن إعطاء الاختيار لصالح مفهوم ماجورانا من خلال الملاحظة التجريبية لانحلال بيتا المزدوج عديم النيوترونات للنواة. يعد هذا الانحلال من أصعب الملاحظات تجريبياً. حاليًا ، لا تزال هذه العملية غير مكتشفة.

تاريخ اكتشاف الجسيمات المضادة

بالفعل في اليونان القديمة ، طرح المفكرون القدامى سؤالًا عن البنية الأساسية للمادة. وفقًا للأسلوب العلمي في تلك السنوات ، كان الإغريق يبحثون عن العناصر الأساسية. نتيجة لعمليات البحث هذه ، كان لدى الإغريق عدة مجموعات مختلفة تمامًا من العناصر الأولية وحتى مفهوم الذرات كملحق باهظ. لكن الإغريق لم يتمكنوا من الاختيار بين مجموعات مختلفة ، لأن الحجج المنطقية فقط لم تكن كافية للاختيار ، وظل ما يقرب من 2000 عام قبل فكرة إنشاء تجربة حاسمة.

فقط في مطلع القرنين السابع عشر والثامن عشر ، تم تشكيل الفيزياء كعلم ، والقوة الدافعة الرئيسية لها هي التجربة ، وظلت كذلك حتى الربع الأول من القرن العشرين. كانت النتائج التجريبية غير المتوقعة هي التي أعطت الزخم لظهور الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ، والنظرية النسبية الخاصة ، وميكانيكا الكم.

ومع ذلك ، في عام 1928 تغير كل شيء. كتب عالم الفيزياء النظرية الإنجليزي المتميز ، وأحد مبتكري ميكانيكا الكم ، بول ديراك معادلة كمومية نسبية للجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح. تحتوي هذه المعادلة على ميزة واحدة مهمة لم يدرجها ديراك فيها: إذا كان لهذه المعادلة حل للجسيمات ذات الشحنة الكهربائية السالبة ، فسيظهر حتمًا محلول إضافي للجسيمات ذات الشحنة الموجبة. في أوائل الثلاثينيات من القرن الماضي ، لم يُعرف سوى جسيم واحد بنصف عدد صحيح مغزلي وشحنة سالبة - وهو الإلكترون - وجسيم واحد بنصف عدد صحيح مغزلي وشحنة موجبة ، وهو البروتون. في البداية ، اعتقد الفيزيائيون أن حلين معادلة ديراك يتوافقان مع هذين الجسيمين. لكن سرعان ما أثبت عالم الرياضيات الألماني هيرمان ويل أن الجسيمات من معادلة ديراك ذات الشحنات الموجبة والسالبة يجب أن يكون لها نفس الكتلة. ثم كانت هناك مشكلة ، لأن البروتون أثقل بحوالي 2000 مرة من الإلكترون.

أي أن نظرية ديراك تنبأت بحقيقة جديدة في الأساس. بالمصطلحات الحديثة ، تنبأ بول ديراك بالجسيمات المضادة. فقط في البداية لم يؤمن بها أحد ، وتعرض ديراك نفسه لانتقادات بسبب معادلة خاطئة مزعومة. وعبثا. بعد كل شيء ، لقد مر عام منذ اكتشاف الجسيمات المضادة. فقط مكتشفهم ، عالم الفيزياء التجريبية السوفيتي الموهوب ديمتري فلاديميروفيتش سكوبلتسين ، لم يكن لديه أي فكرة عن هذا. الحقيقة هي أنه كان مفتونًا بالمشكلة التي كانت ذات صلة في ذلك الوقت: دراسة تكوين الأشعة الكونية ، أي الجسيمات التي تسقط على الأرض من الفضاء. لقياس زخم جسيمات الأشعة الكونية وشحنتها ، وضع Skobeltsyn غرفة سحابية - أحدث جهاز في الثلاثينيات من القرن الماضي يسجل مسارات الجسيمات المشحونة - في مجال مغناطيسي ثابت. في مثل هذه الغرفة ، يجب أن تدور الجسيمات المشحونة إيجابياً القادمة من الفضاء الخارجي في اتجاه واحد ، والجسيمات السالبة في الاتجاه الآخر. لاحظ Skobeltsyn عدة مسارات مشابهة لمسارات الإلكترون ، لكنها تلتف في الاتجاه المعاكس. من ذروة المعرفة الحديثة ، نفهم أن مثل هذه المسارات تركتها البوزيترونات. لكن العالم اقترح أن هذه المسارات تتركها الإلكترونات التي تطير من سطح الأرض ، حيث تتشكل نتيجة النشاط الإشعاعي الطبيعي ، ولم تعد مهتمة بهذه المسارات.

لذلك ، يعتبر كارل أندرسون أول مكتشف للبوزيترونات في العالم. علم هذا المجرب الأمريكي اللامع بنظرية ديراك وأراد اختبار وجود "إلكترونات بشحنة مختلفة" بشكل تجريبي. استخدم أندرسون تقنية Skobeltsyn مع إضافة صغيرة جعلت المُختبِر الأمريكي حائزًا على جائزة نوبل: وضع صفيحة الرصاص في غرفة السحاب. عندما يصطدم جسيم مشحون بلوحة ، فإنه يفقد بعض طاقته ، ويقل زخمه ، ويتغير انحناء المسار في مجال مغناطيسي. لذلك ، من خلال تغيير انحناء المسار ، يمكن للمرء أن يفهم من أي جانب من لوحة الرصاص دخل الجسيم إلى الغرفة. كانت هذه هي المعلومات التي لم يكن لدى Skobeltsyn من أجل اكتشاف البوزيترون. اتضح أن الجسيمات التي تشبه مساراتها مسارات الإلكترونات ، ولكنها ملتوية في الاتجاه المعاكس ، تطير من الفضاء بنفس طريقة الإلكترونات العادية. أجرى أندرسون تجربته في عام 1932. يعتبر هذا العام عام اكتشاف الجسيمات المضادة والسنة التي بدأت فيها النظرية في فيزياء الجسيمات تتفوق على التجربة. تم توقع النيوترينو ، بوزون هيغز ، الكوارك العلوي لأول مرة من قبل المنظرين. أكدت التجارب أحيانًا النظرية بعد نصف قرن ، كما كان الحال ، على سبيل المثال ، مع بوزون هيغز.

يمكننا القول أنه على مستوى جديد عدنا إلى الوضع الذي كان في اليونان القديمة: يقدم المنظرون العديد من المفاهيم الأساسية الجديدة ، تمامًا كما اقترح الإغريق ذات مرة مجموعات مختلفة من العناصر الأساسية. الآن فقط يحاول المجربون اختبار هذه المفاهيم ، إذا كان هناك مثل هذا الاحتمال التكنولوجي.

ماذا عن مضاد البروتون؟ هذا هو ثاني جسيم مضاد اكتشفه الفيزيائيون. تم اكتشافه في عام 1955 في معجل البروتونات من قبل مجموعة من الفيزيائي الإيطالي الموهوب إيميليو سيغري ، الذي فر من النازيين إلى أمريكا. حصل الاكتشاف على جائزة نوبل عام 1959. في وقت واحد تقريبًا مع البروتون المضاد ، تم اكتشاف مضاد النيوترون.

تم الآن اكتشاف مئات الجسيمات المضادة. أي جسيم مشحون ، ليس بالضرورة ذو دوران نصف عدد صحيح ، له جسيم مضاد خاص به. تُمنح جوائز نوبل لاكتشاف الجسيمات المضادة. وخاصية الجسيم والجسيم المضاد التي اكتشفها أندرسون أثناء التفاعل ليتحول إلى فوتونات - للإبادة - أدت إلى ظهور أحد الألغاز الأساسية للفيزياء الحديثة - عدم تناسق الباريون في الكون. لطالما تم التعرف على معادلة ديراك من قبل جميع الفيزيائيين وشكلت أساس نظرية المجال الكمي.

من الجسيمات المضادة إلى المادة المضادة

إذا استطاع الفيزيائيون في الستينيات الحصول على البوزيترونات والبروتونات المضادة والنيوترونات المضادة ، فيبدو أنه من هنا خطوة واحدة نحو تخليق المادة المضادة ، مثل الهيدروجين المضاد. ومع ذلك ، هناك صعوبات كبيرة على طول الطريق.

لإنشاء ذرات وجزيئات من المادة المضادة ، لا يكفي الحصول على اللبنات الأساسية - الجسيمات المضادة. يجب إبطاء هذه الجسيمات المضادة. ولكن الأهم من ذلك ، يجب تخزين المادة المضادة في عالم يتكون من مادة. لا يمكن ببساطة وضع الجسيمات المضادة في صندوق: فهي ستدمر بجدران الصندوق. إذا أردنا الحفاظ على الجسيمات المضادة ، فيجب علينا تخزينها في فراغ وفي "وعاء بلا جدران". بالنسبة للجسيمات المشحونة ، يمكن استخدام مجال مغناطيسي قوي غير متجانس على هذا النحو وعاء. تعد مهمة حصر الجسيمات المحايدة أكثر صعوبة ، ولكن مع مرور الوقت تم حلها أيضًا باستخدام مجال مغناطيسي. في الوقت الحاضر ، يتم الاحتفاظ بالهيدروجين المضاد في مصائد Penning المغناطيسية لمدة 20 دقيقة تقريبًا.

من المنطقي أن يبدأ تركيب المادة المضادة بتخليق مضاد النوى. ومع ذلك ، لم يتم إحراز تقدم يذكر في هذا الاتجاه حتى الآن. تم تصنيع مضادات الهيليوم 3 فقط ، والتي تتكون من اثنين من البروتونات المضادة وواحد مضاد للوترون ، ومضاد الهيليوم 4 ، والذي يتكون من اثنين من البروتونات المضادة واثنين من مضادات النيوترون. (لاحظ أنه تم تصنيع مضادات الهيليوم -3 في معهد فيزياء الطاقة العالية بالقرب من موسكو في مُسرع U-70 ، والذي يعد حاليًا أعلى مُسرع للجسيمات في روسيا.)

تم إحراز تقدم أقل في تصنيع مضادات الذرات. في الوقت الحاضر ، تم تصنيع ذرات الهيدروجين المضاد فقط. تم تصنيع ذرات مفردة من الهيدروجين المضاد في المركز الأوروبي لفيزياء الجسيمات (CERN) فقط في عام 1995. حدث الاختراق الحقيقي في عام 2002 ، عندما تم تصنيع حوالي 50 مليون ذرة هيدروجين مضاد. منذ ذلك الحين ، كانت CERN رائدة عالميًا في دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة المضادة.

الجسيمات المضادة والقوانين الأساسية للطبيعة

تلعب التناظرات دورًا استثنائيًا في الفيزياء الحديثة. في نظرية المجال الكمومي ، أحد أهم التناظرات هو ما يسمى بتناظر CPT ، أي التناظر فيما يتعلق بالاستبدال المتزامن لجميع الشحنات بعكس © ، وانعكاس المرآة للفضاء (P) وانعكاس الوقت (ت). يُعتقد أنه لا يمكن تحقيق في الطبيعة إلا النظريات المتماثلة CPT. يتضمن تناظر CPT العديد من الخصائص التي يجب أن تمتثل لها الجسيمات والجسيمات المضادة ، على سبيل المثال ، المساواة بين كتلتيهما. في الوقت الحاضر ، من المثير للاهتمام كيف لا تتصرف الكثير من الجسيمات المضادة الفردية ، ولكن الأجسام المضادة الأكثر تعقيدًا ، مثل النوى والذرات. على سبيل المثال ، تقوم CERN بالتحقيق بنشاط في الخصائص الطيفية لذرات الهيدروجين المضاد. يتطلب تناظر CPT أن تكون هذه الخصائص مطابقة تمامًا لخصائص ذرة الهيدروجين. أيضًا ، يجب أن تسقط ذرة الهيدروجين المضاد في مجال جاذبية الأرض بنفس طريقة سقوط ذرة الهيدروجين. وتجري الآن مثل هذه التجربة في CERN. لذا فإن سيرن ليست فقط مصادم هادرون الكبير وبوزون هيغز. هذا أيضًا اختبار للتماثلات الأساسية للطبيعة. لفهم العالم من حولنا ، تعتبر هذه التماثلات أكثر أهمية من بوزون هيغز. حتى الآن ، لم تتمكن التجارب من العثور على علامة واحدة لانتهاك تناظر CPT.

الآن دعونا ننظر حولنا ونسأل أنفسنا سؤالًا طبيعيًا آخر: لماذا نحن محاطون بالمادة فقط؟ وأين اختفت المادة المضادة من عالمنا؟ تسمى هذه المشكلة بعدم تناسق الباريون في الكون. من نظرية CPT ، من السذاجة توقع وجود كمية متساوية من المادة والمادة المضادة بعد الانفجار العظيم. هذا يعني أن الفناء العالمي قد يحدث عاجلاً أم آجلاً. وفقط الفوتونات المفردة غير المتفاعلة ستندفع عبر الكون الذي لا حياة له.

لم يتم حل لغز عدم تناسق الباريون بعد. يمكن تقديم عدة إجابات هنا. على سبيل المثال ، يتكون نظامنا الشمسي من مادة ، بينما يتكون نظام نجمي آخر بعيدًا عن نظامنا من مادة مضادة. لكن بعد ذلك ليس من الواضح ، لأي أسباب ، بدلاً من الإبادة ، فضلت المادة والمادة المضادة الفصل في الفضاء؟ وعلماء الفلك لا يراقبون العوالم المضادة النجمية.

تم اقتراح فكرة أخرى في عام 1967 من قبل الأكاديمي السوفيتي الحائز على جائزة نوبل للسلام أندريه دميترييفيتش ساخاروف. لقد اقترح أن رقم الباريون - وهو نفس الرقم الذي تحدثنا عنه في بداية هذه المقالة - قد تم انتهاكه ، واستند أيضًا إلى الحقيقة التجريبية لانتهاك الشحنة المجمعة © والتكافؤ المكاني (P). ثم يمكن للجسيمات غير المستقرة أن تتحلل بشكل مختلف نوعًا ما عن الجسيمات المضادة غير المستقرة. وقد اتضح أن هذا يكفي أنه في النهاية توجد مادة أكثر بقليل من المادة المضادة. تم القضاء على ما تبقى من المادة والمادة المضادة. وجميع الأشياء في الكون تتكون من فائض بسيط من المادة. في الوقت الحاضر ، تم استكمال نظرية ساخاروف وتطويرها. لكن الفكرة الرئيسية ظلت دون تغيير.

على المادة المضادة للنجوم

لن يكون من المبالغة القول إن البشرية تحلم بالطيران إلى النجوم. ولكن حتى بالنسبة لأقرب نجم ، وهو Proxima Centauri ، فإن ضوء الشمس يستغرق أكثر من ثلاث سنوات. النجوم المتبقية بعيدة. يتغلب المتخيلون بسهولة على مثل هذه المسافات الشاسعة بمساعدة أنفاق الزمكان ، ومحركات الأقراص الفائقة ، والبعد العاشر وغيرها من وسائل النقل المريحة ، ولكن للأسف ، فقط وسائل نقل خيالية. في العالم الحقيقي ، يجب أن تتحرك سفن الفضاء الخاصة بالمستكشفين النجميين الأوائل في نفس الفضاء مثل الضوء ، ويفضل أن تكون بسرعة قريبة من سرعة الضوء. في الوقت نفسه ، نريد أن يكون لمركبة الفضاء هذه أصغر كتلة ممكنة. في هذه الحالة ، لا يوجد وقود أفضل من المادة المضادة لمركبة فضائية. في الواقع ، تتحول الكتلة الكاملة للوقود أثناء الفناء إلى فوتونات تطير من الفوهة بسرعة الضوء. يجب على الفوتونات تسريع المركبة الفضائية إلى سرعات عالية جدًا ، وهي أجزاء من سرعة الضوء. هذا يعني أن الرحلة إلى بروكسيما سنتوري يمكن أن تستغرق ، على سبيل المثال ، ثلاثين عامًا. هذا كثير ، لكن المستكشفين النجوم سيكون لديهم الوقت للعودة إلى الأرض في حياة جيل واحد. ماذا بعد؟ يمكن أن يكون الأمر كما في الخيال العلمي في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي: طيارو الفضاء ، شبه دائم الشباب بسبب التناقض التوأم ، والفتيات اللائي ينتظرنهن على الأرض في غرف التبريد. الرومانسية الكونية من الستينيات الذهبية أم الحياة اليومية القاسية لألفي وخمسينيات؟ لكن كل شيء بدأ بمعادلة ديراك غير العادية ، والتي كان لا بد من وجود حلين لها ، وكارل أندرسون ، الذي خمن إدخال لوحة الرصاص في حجرة السحابة.

لم يكن هناك سبب لافتراض أن وجود البوزيترون ، أو كما من الأفضل تسميته الآن ، مضاد للإلكترون ، هو سمة من سمات الجسيمات الصغيرة. على الرغم من وجود عدد من الميزات المحددة ، فإن نظرية التفاعل بين النيوكليونات تتطور على غرار نظرية تفاعل الإلكترونات. في معظم الأوراق النظرية ، يُفترض أن النيوكليونات يجب أن توصف بمعادلات مشابهة تمامًا لمعادلات ديراك للإلكترونات. إذا كان الأمر كذلك ، فبالنسبة للنيوكليونات ، يجب أن يتوقع المرء وجود جسيمات مضادة موجودة في نفس الشيء

بالنسبة للبروتون والنيوترون ، حيث يوجد البوزيترون والإلكترون. أظهرت التجربة أن هذا هو الحال بالضبط بالنسبة للبروتون. بعد ذلك بقليل ، تم اكتشاف مضاد النيوترون أيضًا ، والذي يختلف عن النيوترون في اتجاه العزم المغناطيسي (بالنسبة للنيوترون ، فإن العزم المغناطيسي وناقل زخم الدوران عكسيان ، وبالنسبة للنيوترون المضاد ، فهما متوازيان).

أرز. 246. (انظر المسح)

يُظهر اكتشاف البروتون المضاد صحة الفكرة العامة - الارتباط غير المنفصل للحقل بالجسيمات. تمامًا مثل زوج من البوزيترونات -

يمكن أن ينشأ إلكترون ، زوج من البروتون والبروتون المضاد عن طريق نقل النواة من حالة الطاقة السلبية إلى حالة ذات طاقة موجبة. لهذا الغرض ، الطاقة المطلوبة لا تقل عن هذه طاقة ضخمة ، 1840 مرة أكبر من الطاقة اللازمة لتكوين زوج إلكترون-بوزيترون. كانت هناك حاجة إلى مليارات من مسرعات الإلكترون فولت لجعل اكتشاف البروتون المضاد ممكنًا.

عندما يلتقي البروتون بالبروتون المضاد ، سوف يهلكون. نظرًا لأن النيوكليونات تنقل الطاقة عبر مجال الميزون ، أثناء الإبادة ، ستعطى كتلتها وطاقتها إلى كمات هذا المجال - الميزونات.

لا شك أن هذه العملية ستتم دراستها بالتفصيل في السنوات القادمة.

على التين. يُظهر الشكل 246 صورة فوتوغرافية لإبادة البروتون والبروتون المضاد. لوحظت العملية في غرفة فقاعية مليئة بالبروبان السائل. يظهر مخطط العملية في أعلى اليسار.

تنطبق الاعتبارات المتعلقة بالحاجة إلى وجود الجسيمات المضادة على النيوترينوات أيضًا. تسمى الصورة "المرآة" بمضادات النوترينو. الفرق بين الجسيمات التي يتكون منها المضاعف هو نفس الفرق بين النيوترون ومضاد النيوترون.

في شكل مزدوج ، هناك أيضًا ميونات ، بالإضافة إلى جسيمات أولية أخرى لم نتحدث عنها.

الميونات هي ثلاثية: يحدث الميون في شكل أصناف ذات شحنة موجبة ونادرة ، وكذلك بشحنة تساوي الصفر. على عكس النيوترون والنيوترينو ، لا يمكن أن يحتوي الميون المحايد اللولبي على جسيم مضاد (يمكن للمرء أيضًا أن يقول: إنه يتطابق مع الجسيم المضاد). جسيم آخر ليس له "انعكاس" هو الفوتون.

- توائم من الجسيمات الأولية العادية ، والتي تختلف عن الأخيرة بعلامة الشحنة الكهربائية وعلامات بعض الخصائص الأخرى. تمتلك الجسيمات والجسيمات المضادة نفس الكتل ، والدوران ، والعمر نفسه. إذا كان الجسيم يتميز أيضًا بخصائص كمومية داخلية أخرى لها علامة ، فإن قيم هذه الخصائص للجسيم المضاد هي نفسها ، لكن الإشارات معاكسة. إذا كان الجسيم غير مستقر (يعاني من الاضمحلال) ، فإن الجسيم المضاد يكون أيضًا غير مستقر ، وتتزامن حياتها وتتزامن طرق التحلل (حتى الاستبدال في مخططات الاضمحلال للجسيمات إلى جسيمات مضادة).
تتكون المادة العادية من البروتونات (p) والنيوترونات (n) والإلكترونات (e -). تتكون المادة المضادة من الجسيمات المضادة - البروتونات المضادة () ومضادات النيوترونات () ومضادات الإلكترونات (البوزيترونات e +). اختيار الجسيمات التي يجب اعتبارها جسيمات وأيها جسيمات مضادة مشروط ويتم تحديده من خلال اعتبارات الملاءمة. الجسيم المضاد للجسيم المضاد هو جسيم. عندما يصطدم جسيم مع جسيم مضاد ، يختفيان (يفنيان) ويتحولان إلى كوانتا جاما.
في بعض الحالات (على سبيل المثال ، الفوتون أو 0 -meson ، إلخ) ، يتطابق الجسيم والجسيم المضاد تمامًا. هذا يرجع إلى حقيقة أن الفوتون و π 0 -meson ليس لهما شحنة كهربائية وخصائص داخلية أخرى مع علامة.

صفة مميزة	جسيم	الجسيم المضاد
وزن	م	م
الشحنة الكهربائية	+ (-) س	- (+) س
غزل	ي	ي
لحظة جاذبة	+(-)μ	-(+)μ
رقم الباريون	+ ب	-ب
رقم ليبتون	+ L البريد ، + L μ ، + L τ	-L البريد ، -L μ ، -L τ
غرابة	+ (-) ث	- (+) ق
سحر	+ (-) ج	- (+) ج
القاع	+ (-) ب	- (+) ب
قمة	+ (-) ر	- (+) ت
إيزوسبين	أنا	أنا
الإسقاط Isospin	+ (-) أنا 3	- (+) أنا 3
التكافؤ	+(-)	-(+)
حياة	تي	تي
مخطط الاضمحلال		مترافق تهمة

تتكون المادة المضادة من الجسيمات المضادة - البروتونات المضادة ، والنيوترونات المضادة والإلكترونات المضادة - البوزيترونات e +. الجسيمات والجسيمات المضادة متساوية. اختيار الجسيمات التي يجب اعتبارها جسيمات وأيها جسيمات مضادة مشروط ويتم تحديده من خلال اعتبارات الملاءمة. في الجزء المرئي من الكون ، تتكون المادة من إلكترونات سالبة الشحنة ، وبروتونات موجبة الشحنة ، ونيوترونات.
عندما يصطدم إلكترون وبوزيترون ، يختفيان (يفنيان) ويتحولان إلى كوانتا جاما. أثناء إبادة الجسيمات شديدة التفاعل ، على سبيل المثال ، البروتون والبروتون المضاد ، يتم تكوين العديد من الميزونات π + ، π - ، π 0 ، K + ، K - ، K 0.

في الواقع ، فإن التأكيد على أن تفاعل الجسيمات والجسيمات المضادة يستلزم دائمًا تكوين فوتونات خاطئ حتى فيما يتعلق بالإلكترونات والبوزيترونات. يهلك زوج إلكترون-بوزيترون حر بتكوين كمات كهرومغناطيسية فقط إذا لم تكن طاقته عالية جدًا. الإلكترونات والبوزيترونات السريعة جدًا قادرة على توليد بي ميزونات موجبة وسالبة (وهي أيضًا بيونات) ، بالإضافة إلى الميونات الزائدة والناقص ، والبروتونات والبروتونات المضادة ، وحتى الجسيمات الأثقل - فقط الطاقة ستكون كافية. تؤدي البروتونات البطيئة والبروتونات المضادة أثناء الفناء إلى ظهور بيونات مشحونة ومحايدة (وأخرى سريعة للجسيمات الأخرى) ، والتي تتحلل إلى كوانتا جاما والميونات والنيوترينوات. من حيث المبدأ ، يمكن أن ينتج عن اصطدام الجسيم ومضاهاته أي من مجموعات الجسيمات التي لا تحظرها مبادئ التناظر وقوانين الحفظ.

قد يبدو أن الفناء لا يختلف عن التفاعلات الأخرى بين الجسيمات ، لكن له سمة أساسية واحدة. من أجل أن تؤدي الجسيمات المستقرة ، مثل البروتونات أو الإلكترونات ، إلى وابل من السكان الغريبين للعالم المصغر عندما تلتقي ، يجب أن يتم تفريقهم بشكل صحيح. ستغير البروتونات البطيئة سرعتها ببساطة عندما تلتقي - ستكون هذه نهاية الأمر. لكن البروتون والبروتون المضاد ، يقتربان ، إما يخضعان للتشتت والتشتت المرن ، أو يبيدان وينتجان جسيمات ثانوية.

كل ما سبق يشير إلى إبادة الجسيمات الحرة. إذا كان واحد منهم على الأقل جزءًا من نظام كمي ، فإن الوضع يظل كما هو من حيث المبدأ ، لكن البدائل تتغير. على سبيل المثال ، لا يمكن أن يؤدي إبادة إلكترون حر وبوزيترون حر إلى ظهور كم واحد فقط - قانون حفظ الزخم لا يسمح بذلك. من الأسهل معرفة ما إذا كنت تعمل في نظام مركز القصور الذاتي للزوج المتصادم - عندها سيكون الزخم الأولي مساويًا للصفر وبالتالي لا يمكن أن يتزامن مع زخم فوتون واحد ، بغض النظر عن المكان الذي يطير فيه. إذا التقى البوزيترون بإلكترون ، على سبيل المثال ، جزء من ذرة هيدروجين ، فمن الممكن أيضًا إبادة فوتون واحد - في هذه الحالة ، سيتم نقل جزء من الزخم إلى النواة الذرية.

ماذا عن أنتيغراف؟

يعتقد الفيزيائي الإنجليزي آرثر شوستر أن المادة العادية تصد الجاذبية المضادة للمادة ، لكن العلم الحديث يعتبر هذا غير محتمل. من المبادئ الأكثر عمومية للتناظر لقوانين العالم المجهري ، يترتب على ذلك أن الجسيمات المضادة يجب أن تنجذب لبعضها البعض عن طريق الجاذبية ، مثل الجسيمات بدون البادئة "المضاد". السؤال عن ماهية التفاعل الثقالي للجسيمات والجسيمات المضادة لم يتم حله بالكامل بعد ، لكن الإجابة عليه شبه واضحة.
لنبدأ بنظرية النسبية العامة لأينشتاين. وهو يقوم على مبدأ المساواة الصارمة بين كتل الجاذبية والقصور الذاتي ، وبالنسبة للمادة العادية ، فقد تم تأكيد هذا البيان تجريبياً من خلال العديد من القياسات الدقيقة للغاية. نظرًا لأن كتلة القصور الذاتي للجسيم تساوي تمامًا كتلة الجسيم المضاد ، فمن المحتمل جدًا أن تكون كتل الجاذبية متساوية أيضًا. ومع ذلك ، لا يزال هذا افتراضًا ، وإن كان معقولًا للغاية ، ولا يمكن إثباته عن طريق النسبية العامة.

هذا هو تسجيل الإشعاع بخاصية الطاقة الخاصة بالفناء ، أو التسجيل المباشر للجسيمات المضادة بالكتلة والشحنة. نظرًا لأن البروتونات المضادة والنوى المضادة للهيليوم لا يمكن أن تطير عبر الغلاف الجوي ، فلا يمكن اكتشافها إلا بمساعدة الأدوات المرفوعة في الطبقات العالية من الغلاف الجوي على البالونات ، أو الأدوات المدارية ، مثل مطياف ألفا المغناطيسي AMS-01 الذي يتم تسليمه إلى محطة مير في عام 1998 ، أو نظيرتها المحسنة بشكل كبير AMS-02 (في الصورة) ، والتي ستبدأ عملها في محطة الفضاء الدولية.

الطرق الرئيسية للبحث عن مضاد للجراثيم

حجة أخرى ضد التنافر الثقالي بين المادة والمادة المضادة تأتي من ميكانيكا الكم. تذكر أن الهادرونات (الجسيمات التي تشارك في تفاعلات قوية) تتكون من كواركات ملتصقة ببعضها البعض بواسطة روابط غلوون. يتكون كل باريون من ثلاثة كواركات ، في حين أن الميزونات تتكون من مجموعات زوجية من الكواركات والكواركات المضادة ، وليست هي نفسها دائمًا (الميزون ، الذي يتكون من كوارك مع كوارك مضاد خاص به ، هو جسيم محايد حقًا بمعنى أنه متطابق تمامًا. لأنتيمسون). ومع ذلك ، لا يمكن اعتبار هياكل الكواركات هذه مستقرة تمامًا. البروتون ، على سبيل المثال ، يتكون من كواركين u ، يحمل كل منهما شحنة كهربائية أولية قدرها +2/3 ، وواحد d-quark بشحنة -1/3 (لذلك ، فإن شحنة البروتون تساوي +1 ). ومع ذلك ، يمكن لهذه الكواركات ، نتيجة للتفاعل مع الغلوونات ، أن تغير طبيعتها لفترة قصيرة جدًا - على وجه الخصوص ، يمكن أن تتحول إلى كواركات مضادة. إذا كانت الجسيمات والجسيمات المضادة تتنافر عن طريق الجاذبية ، فإن وزن البروتون (وأيضًا ، بالطبع ، النيوترون) يجب أن يتأرجح قليلاً. ومع ذلك ، لم يتم العثور على مثل هذا التأثير حتى الآن في مختبر واحد.

ليس هناك شك في أن تجربة جلالة الملك ذات يوم ستجيب على هذا السؤال. نحن بحاجة إلى القليل - لتجميع المزيد من المادة المضادة ونرى كيف تتصرف في مجال الجاذبية الأرضية. ومع ذلك ، من الناحية الفنية ، فإن هذه القياسات معقدة بشكل لا يصدق ، ومن الصعب التنبؤ بموعد تنفيذها.

إذن ما هو الفرق؟

بعد اكتشاف البوزيترون لمدة ربع قرن ، كان جميع الفيزيائيين تقريبًا على يقين من أن الطبيعة لا تميز بين الجسيمات والجسيمات المضادة. وبشكل أكثر تحديدًا ، كان يُعتقد أن أي عملية فيزيائية تنطوي على جسيمات تتوافق تمامًا مع نفس العملية التي تنطوي على جسيمات مضادة ، وكلاهما يتم تنفيذهما بنفس الاحتمال. تشير البيانات التجريبية المتاحة إلى أن هذا المبدأ قد لوحظ في جميع التفاعلات الأساسية الأربعة - القوية ، والكهرومغناطيسية ، والضعيفة والجاذبية.
ثم تغير كل شيء في وقت واحد بشكل كبير. في عام 1956 ، نشر الفيزيائيان الأمريكيان لي جونداو ويانغ جينينج ورقة بحثية حائزة على جائزة نوبل ناقشا فيها صعوبة تحلل جسيمين متطابقين ظاهريًا ، ثيتا ميزون وتاو ميسون ، إلى أعداد مختلفة من البيونات. أكد المؤلفون أنه يمكن حل هذه المشكلة إذا افترضنا أن مثل هذه الانحرافات مرتبطة بعمليات تتغير طبيعتها عند الانتقال من اليمين إلى البرودة ، وبعبارة أخرى ، مع انعكاس المرآة (بعد ذلك بقليل ، أدرك الفيزيائيون أنه بشكل عام ، يجب على المرء أن تحدث عن الانعكاسات في كل من مستويات الإحداثيات الثلاثة - أو ، ما هو نفسه ، عن تغيير علامات جميع الإحداثيات المكانية ، الانعكاس المكاني). هذا يعني أن العملية المنعكسة قد تكون محظورة أو تحدث باحتمالية مختلفة عما كانت عليه قبل الانعكاس. بعد مرور عام ، أكد المجربون الأمريكيون (الذين ينتمون إلى مجموعتين مستقلتين ويعملون بطرق مختلفة) أن مثل هذه العمليات موجودة بالفعل.
هذه كانت البداية فقط. في الوقت نفسه ، أدرك علماء الفيزياء النظرية من اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية أن انتهاك تناظر المرآة يجعل من الممكن انتهاك التناظر فيما يتعلق باستبدال الجسيمات بالجسيمات المضادة ، وهو ما تم إثباته مرارًا وتكرارًا في التجارب. تجدر الإشارة إلى أنه قبل فترة وجيزة من لي ويانغ ، ولكن في نفس عام 1956 ، تمت مناقشة إمكانية كسر تناظر المرآة من قبل الفيزيائي التجريبي مارتن بلوك والمنظر العظيم ريتشارد فاينمان ، لكنهما لم ينشرا هذه الاعتبارات مطلقًا.

خلال إحدى مهام المكوك الأخيرة (STS-134) في عام 2010 ، سيتم تسليم أداة علمية جديدة ، مطياف ألفا المغناطيسي (AMS-02 ، مطياف ألفا المغناطيسي) إلى محطة الفضاء الدولية. تم تسليم النموذج الأولي AMS-01 على متن محطة مير الفضائية في عام 1998 وأكد أداء المفهوم. سيكون الهدف الرئيسي للبرنامج العلمي هو دراسة وقياس تكوين الأشعة الكونية بدقة عالية ، وكذلك البحث عن الأشكال الغريبة للمادة - المادة المظلمة ، المادة الغريبة (الجسيمات التي تحتوي على كواركات غريبة) ، مثل وكذلك المادة المضادة - على وجه الخصوص ، النوى المضادة للهليوم.

AMS إلى ISS

يشير الفيزيائيون تقليديًا إلى انعكاس المرآة بالحرف اللاتيني P ، واستبدال الجسيمات بجسيماتها المضادة بالحرف C. لا يتم انتهاك كلا التناظرين إلا في العمليات التي تنطوي على تفاعل ضعيف ، وهو المسؤول عن تحلل بيتا للنواة الذرية. ويترتب على ذلك أن هناك اختلافات في سلوك الجسيمات والجسيمات المضادة بسبب التفاعلات الضعيفة.
تم جلب انتهاك غريب لتماثل المرآة إلى الحياة محاولات للتعويض عنه بطريقة ما. بالفعل في عام 1956 ، اقترح لي ويانغ ، وبشكل مستقل ليف لانداو ، أن الطبيعة لا تميز بين الأنظمة التي يتم الحصول عليها من بعضها البعض من خلال التطبيق المشترك للتحولات C و P (ما يسمى تناظر CP). من وجهة نظر النظرية ، بدت هذه الفرضية مقنعة للغاية ، علاوة على ذلك ، تتلاءم جيدًا مع البيانات التجريبية. ومع ذلك ، بعد ثماني سنوات فقط ، اكتشف موظفو مختبر Brookhaven الوطني أن أحد الميزونات K غير المشحونة (أو ، كما يطلق عليهم أيضًا ، kaons) يمكن أن يتحلل إلى زوج بيون. مع الالتزام الصارم بتناظر CP ، فإن مثل هذا التحول مستحيل - وبالتالي ، هذا التناظر ليس عالميًا! صحيح أن نسبة عمليات الاضمحلال التي يُفترض أنها ممنوعة لم تتجاوز 0.2٪ ، لكنها لا تزال تحدث! حصل هذا الاكتشاف على جائزة نوبل في الفيزياء لقادة فريق Brookhaven جيمس كرونين وفال فيتش.

التناظر والمقاوم

ترتبط انتهاكات تناظر CP ارتباطًا مباشرًا بالاختلاف بين المادة والمادة المضادة. في أواخر التسعينيات ، تم إجراء تجربة جميلة جدًا في CERN باستخدام K 0 كاون محايد ، كل منها يتكون من d كوارك وكوارك مضاد غريب أكثر ضخامة. تسمح قوانين الطبيعة للكوارك المضاد أن يفقد بعض طاقته ويتحول إلى مضاد د. يمكن استخدام الطاقة المنبعثة لتحلل الكاون ، ولكن من الممكن أن يمتص الكوارك d المجاور له ويتحول إلى كوارك غريب. نتيجة لذلك ، سيظهر جسيم يتكون من مضاد للكوارك d وكوارك غريب ، أي أنتيكاون محايد. رسميًا ، يمكن وصف هذا التحول بأنه نتيجة تطبيق تحويل CP على kaon!
وبالتالي ، إذا تم ملاحظة تناظر CP بشكل صارم تمامًا ، فإن الكاونات المحايدة K 0 تتحول إلى جسيمات مضادة لها نفس الاحتمالية تمامًا لأنها تخضع للتحولات العكسية. أي انتهاك لتناظر CP يستلزم تغييرًا في أحد هذه الاحتمالات. إذا قمنا بإعداد حزمة من عدد متساوٍ من الكاونات والمضادات المحايدة واتبعنا ديناميكيات تركيز كلا الجسيمين ، يمكننا معرفة ما إذا كانت التذبذبات الكمومية تحترم تناظر CP.

هذا بالضبط ما فعله فيزيائيو سيرن. لقد وجدوا أن المضادات المحايدة تصبح كاونات أسرع قليلاً من تحولها إلى مضادات. بمعنى آخر ، تم اكتشاف عملية تتحول خلالها المادة المضادة إلى مادة أسرع من المادة إلى مادة مضادة! في خليط يحتوي على أجزاء متساوية مبدئيًا من المادة والمادة المضادة ، بمرور الوقت ، تتشكل حتى كمية صغيرة ، ولكن لا تزال قابلة للقياس من المادة. تم الكشف عن نفس التأثير في تجارب مع جسيمات محايدة ثقيلة أخرى - D 0 -mesons و B 0 -mesons.
وهكذا ، بحلول نهاية القرن العشرين ، أثبت المجربون بشكل مقنع أن التفاعلات الضعيفة لها تأثيرات مختلفة على الجسيمات والجسيمات المضادة. على الرغم من أن هذه الاختلافات صغيرة جدًا في حد ذاتها ولا تظهر إلا في سياق تحولات معينة لجسيمات غريبة جدًا ، إلا أنها كلها حقيقية تمامًا. هذا يعني وجود عدم تناسق فيزيائي بين المادة والمادة المضادة.
لإكمال الصورة ، يجب ملاحظة ظرف آخر. في الخمسينيات من القرن الماضي ، تم إثبات أهم اقتراح لميكانيكا الكم النسبية ، وهو نظرية CPT. تقول أن الجسيمات والجسيمات المضادة متناظرة تمامًا فيما يتعلق بتحول CP متبوعًا بانعكاس الوقت (بالمعنى الدقيق للكلمة ، هذه النظرية صحيحة فقط دون مراعاة الجاذبية ، وإلا يبقى السؤال مفتوحًا). لذلك ، إذا لم يتم احترام التناظر CP في بعض العمليات ، فإن سرعتها في الاتجاهين "الأمامي" و "العكسي" (ما يعتبر كلاهما ، بالطبع ، مسألة اتفاق) يجب ألا تكون هي نفسها. هذا هو بالضبط ما أثبتته التجارب في CERN مع الكاونات المحايدة.

أين هو العالم المضاد؟

في عام 1933 ، كان بول ديراك متأكدًا من وجود جزر كاملة من المادة المضادة في كوننا ، والتي ذكرها في محاضرة نوبل. ومع ذلك ، يعتقد العلماء المعاصرون أنه لا توجد مثل هذه الجزر سواء في مجرتنا أو ما وراءها. بالطبع ، المادة المضادة على هذا النحو موجودة. تتولد الجسيمات المضادة عن طريق العديد من العمليات عالية الطاقة - على سبيل المثال ، الاحتراق النووي الحراري للوقود النجمي وانفجارات السوبرنوفا. تنشأ في سحب من البلازما الممغنطة المحيطة بالنجوم النيوترونية والثقوب السوداء ، وأثناء تصادم الجسيمات الكونية السريعة في الفضاء بين النجوم ، وأثناء قصف الغلاف الجوي للأرض بالأشعة الكونية ، وأخيرًا في التجارب على المعجلات. بالإضافة إلى ذلك ، يترافق تحلل بعض النويدات المشعة مع تكوين جسيمات مضادة - وهي البوزيترونات. لكن كل هذا مجرد جسيمات مضادة ، وليس بأي حال من الأحوال مادة مضادة. حتى الآن ، لم يتمكن أحد من اكتشاف حتى مضادات الهيليوم الكونية ، ناهيك عن العناصر الثقيلة. كان البحث عن إشعاع غاما بطيف معين ، الناجم عن الفناء على حدود مجموعات كونية من المادة والمادة المضادة ، غير ناجح أيضًا.

العالم أم العالم المناهض للعالم؟

لنتخيل أننا نطير على متن سفينة بين النجوم تقترب من كوكب بحياة ذكية. كيف نعرف ما يتكون منه إخواننا - مادة أم مادة مضادة؟ يمكنك إرسال مسبار استطلاع ، ولكن إذا انفجر في الغلاف الجوي ، فيمكن اعتبارنا مهاجمين للفضاء ، كما هو الحال في رواية الخيال العلمي لكريستوف بورون Antiworld. يمكن تجنب ذلك باستخدام نفس الكاونات والمضادات المحايدة. كما ذكرنا سابقًا ، لا يمكنهم التحول إلى بعضهم البعض فحسب ، بل يمكنهم أيضًا التفكك وبطرق مختلفة. في مثل هذه التدهورات ، يمكن إنتاج النيوترينوات مصحوبة إما بالبيونات والإلكترونات الموجبة ، أو البيونات السالبة والبوزيترونات. بسبب عدم التناسق بين المادة والمادة المضادة ، فإن معدلات مثل هذه التفاعلات تختلف إلى حد ما. يمكن استخدام هذا الظرف كـ "ورقة عباد الشمس". لاختبار كوكب ما من أجل مادية ، من الملائم ألا تأخذ الكاونات النقية والمضادات المضادة ، بل حالاتها المختلطة ؛ تم تصنيفهما على أنهما K S و K L (S - short و L - long). الحقيقة هي أنه في الحالة L ، يكون عمر الجسيم 570 مرة أطول من الحالة S (5.12 × 10 -8 ثانية مقابل 8.95 × 10-11 ثانية). في النسخة طويلة العمر من الكاونات ، يكون تناسق المادة والمادة المضادة أقوى بكثير - فبالنسبة لكل 10000 انحلال من النوع المطلوب ، ينتج حوالي 5015 بوزيترونات ، و 4985 إلكترونًا. بالمناسبة ، تم إجراء التجربة التاريخية لكرونين وفينش أيضًا على K-mesons. الآن لنبدأ المحادثة. تمتلك الكاون كتلة مميزة تزيد قليلاً عن نصف كتلة البروتون. دعنا نوضح للأخوة أننا بحاجة إلى جسيم متعادل غير مستقر ، كتلته أكبر قليلاً من كتلة نواة أبسط الذرات. سيقوم الفيزيائيون الفضائيون بصنع ميزونات K وسيحددون خصائص انحلالها. سوف نسأل ما إذا كانت علامة الشحنة الكهربائية لأخف الجسيمات المشحونة ، المتولدة في هذه الجسيمات تتحلل أكثر بقليل من جسيم مشابه للعلامة المعاكسة ، تتزامن مع علامة الجسيمات التي تشكل ذرات عالمهم . في حالة الإجابة الإيجابية ، سيتضح لنا أن البوزيترونات هي جزء من ذراتها ، وبالتالي فإن الكائن الفضائي يتكون من مادة مضادة. وإذا كانت الإجابة سلبية - يمكنك الاستعداد للهبوط!

العالم أم العالم المناهض للعالم؟

تظهر التقارير بشكل دوري في الأدبيات العلمية حول اكتشاف المصادر الأولية غير المعيارية للجسيمات الكونية المضادة ذات الأصل غير المعروف. في أبريل 2009 ، تم نشر بيانات عن فائض غامض من البوزيترونات فائقة السرعة التي اكتشفها مجمع الكاشف PAMELA. تم وضع هذه المعدات على متن القمر الصناعي الروسي Resurs-DK ، والذي تم إرساله إلى مدار قريب من الأرض في 15 يونيو 2006 من قاعدة بايكونور الفضائية. فسر بعض الخبراء هذه النتيجة كدليل محتمل على إبادة جسيمات المادة المظلمة الافتراضية ، ولكن سرعان ما ظهر تفسير أقل غرابة. تم التعليق على هذه الفرضية من قبل أخصائي الأشعة الكونية المشهور Veniamin Berezinsky من مختبر Gran Sasso الوطني ، وهو جزء من المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء النووية: "النموذج القياسي لإنتاج الأشعة الكونية المجرية يرتكز على ثلاثة مواقع. تعتبر بقايا المستعرات الأعظمية المصدر الأول والرئيسي للجسيمات المشحونة. والفكرة الثانية - يتم تسريع الجسيمات إلى سرعات فائقة الصدم عند جبهات موجات الصدمة اللاحقة للانفجار ، وفي هذا التسارع يكون دور المجال المغناطيسي الخاص بها كبيرًا جدًا. الموقف هو أن الأشعة الكونية تنتشر عن طريق الانتشار. أظهر تلميذي السابق ، والأستاذ حاليًا في المعهد الوطني للفيزياء الفلكية ، باسكوال بلاسي ، أن الزيادة في البوزيترونات التي اكتشفها مجمع باميلا تتوافق تمامًا مع هذا النموذج. جزيئات الغاز الكوني وفي هذه المنطقة من تسارعها تتحول إلى بيونات موجبة تتحلل tsya مع تكوين البوزيترونات والنيوترينوات. وفقًا لحسابات بلازي ، يمكن أن تنتج هذه العملية تمامًا نفس تركيز البوزيترونات الذي وجدته باميلا. تبدو آلية توليد البوزيترونات هذه طبيعية تمامًا ، لكنها لسبب ما لم تحدث لأي شخص حتى الآن. أظهر بلاسي أيضًا أن نفس العمليات يجب أن تولد أيضًا بروتونات مضادة زائدة. ومع ذلك ، فإن المقطع العرضي لإنتاجها أصغر بكثير من القيمة المقابلة للبوزيترونات ، وبسبب ذلك لا يمكن اكتشافها إلا عند الطاقات الأعلى. أعتقد أنه سيصبح ممكنا مع مرور الوقت ".
بشكل عام ، يتحدث كل شيء حتى الآن عن حقيقة أنه لا توجد ضادات أو كواكب مضادة أو حتى أصغر أضداد في الفضاء. من ناحية أخرى ، تنص نماذج الانفجار العظيم التقليدية على أنه بعد الولادة بفترة وجيزة ، احتوى كوننا على نفس العدد من الجسيمات والجسيمات المضادة. فلماذا نجا الأول واختفى الأخير؟