Antidalelės (antimaterija): apibrėžimas, savybės ir pavyzdžiai

Antidalelės (antimaterija): sužinokite apibrėžimą, savybes, anihiliaciją ir įdomius pavyzdžius — nuo kvarkų struktūros iki kosminių spindulių.

Dauguma dalelių turi savo antidaleles. Ji turi tokią pačią masę ir priešingą elektros krūvį.

Netgi elektringai neutralios dalelės, pavyzdžiui, neutronas, nėra tapačios savo antidalelėms. Neutrono pavyzdžiu, "paprastoji" dalelė yra sudaryta iš kvarkų, o antidalelė - iš antikvarkų.

Dalelių ir antikūnių poros gali anihiliuoti viena kitą, jei jos yra atitinkamų kvantinių būsenų. Jos taip pat gali susidaryti vykstant įvairiems procesams. Šie procesai naudojami dalelių greitintuvuose naujoms dalelėms kurti ir dalelių fizikos teorijoms tikrinti. Gamtoje vykstantys didelės energijos procesai gali sukurti antidaleles. Jos matomos kosminiuose spinduliuose ir tam tikrose branduolinėse reakcijose. Žodis antimedžiaga tinkamai reiškia (elementariąsias) antidaleles, iš jų sudarytas sudėtines antidaleles (pvz., antivandenilį) ir didesnius jų junginius.

Pagrindinės savybės

Antidalelės turi keletą svarbių bendrų bruožų:

• Tokia pati masė kaip atitinkama dalelė (pagal kvantinės lauko teorijos ir CPT teoremos prognozes).
• Priešingas elektringas krūvis — pavyzdžiui, elektronas turi neigiamą krūvį, o jo antidalelė positronas turi teigiamą.
• Priešingi kitų addityviųjų kvantinių skaičių ženklai (pvz., baryoninis skaičius, leptoninis skaičius, iš esmės kvarkų skaičiai ir kt.).
• Neutralios dalelės (pvz., neutronas) vis tiek gali turėti atitinkamas antidaleles, sudarytas iš antikvarkų; jų magnetiniai momentai ar kitokios savybės gali pasikeisti ženklu.
• Laiko simetrija ir CPT teorema užtikrina, kad dalelių ir antidalelių masės bei dauguma gyvavimo trukmių yra identiškos (kol CPT simetrija galioja).

Kaip susidaro ir kaip sunaikinamos

Antidalelės susidaro keliais būdais:

• Porų susidarymas (pair production): aukštos energijos fotonas, sąveikaudamas su elektromagnetiniu lauku arba branduoliu, gali pavirsti dalelės–antidalelės pora (reikalinga energija bent lygi dviejų dalelių poilsio energijoms, pvz., elektrono atveju ≥ 2 × 511 keV).
• Branduolinių reakcijų, kosminių spindulių ir dalelių greitintuvų sąveikų metu susidarantys aukštos energijos procesai.
• Beta+ radioaktyvaus skilimo metu branduolys išskiria positroną (tai yra natūralus antidalelių šaltinis, plačiai naudojamas medicinoje).

Susitikę dalelė ir antidalelė gali anihiliuoti — jų masė paverčiama energija ir kitomis dalelėmis. Elektrono ir positrono anihiliacija esant ramybėje paprastai duoda du fotonus po 511 keV kiekvienas (2 × 511 keV), tačiau anihiliacija esant judesiui ar sudėtingesnėse būsenose gali išvesti ir kitokias daleles.

Pavyzdžiai ir eksperimentai

• Positronas — elektronų antidalelė; atrasta moksliškai ir plačiai naudojama PET (pozitrono emisijos tomografijoje).
• Antiprotonas — protono antidalelė; gaminamas dalelių greitintuvuose, laikomas specialiuose gaubtuose (pvz., Penning tipo gaubtuose) ilgesniam tyrimui.
• Antineutronas — neutrono antidalelė, sudaryta iš antikvarkų.
• Antivandenilis — atominis antihidrogenas (elektrono vietoje positronas, protono vietoje antiprotonas): sukurtas ir sulaikytas CERN eksperimentuose (pvz., ALPHA, ATRAP), siekiant palyginti vandenilio ir antivandenilio spektrą bei patikrinti CPT simetriją.

Taikymas ir saugojimas

• Medicinoje: PET skenavimas naudoja radioaktyvų izotopą, kuris suyra išskirdamas positroną; anihiliacija gamina fotonus, kuriuos aptinka detektoriai ir pagal juos kuria vaizdą.
• Tyrimuose: antidalelės leidžia tiksliai tikrinti fundamentalius fizikos dėsnius (pvz., CPT simetriją, skirtumus tarp materijos ir antimedžiagos spektrų).
• Technologijos iššūkiai: antimedžiagos saugojimas yra sudėtingas — reikalingos vakuuminės kameros ir magnetiniai ar elektriniai spąstai, kad antidalelės nekontaktuotų su įprasta materija (kas sukeltų anihiliaciją). Didelių kiekių antimedžiagos gamyba yra energetiškai ir techniškai neefektyvi.

Visata ir problema dėl materijos dominavimo

Nors fizikos lygtys leidžia simetriškai susidaryti materiją ir antimedžiagą, Visata, matoma mums, susideda beveik vien tik iš materijos. Tai vadinama baryonų asimetrija arba materijos–antimedžiagos disbalansu. Vienas galimų paaiškinimų — ankstyvosios Visatos sąlygos ir procesai, pažeidžiantys CP simetriją (viena iš Sakharovo sąlygų baryogenezės modeliui). Ši problema tebėra aktyvių tyrimų objektas dalelių fizikoje ir kosmologijoje.

Saugos ir energetiniai aspektai

Anihiliacija išlaisvina didelius energijos kiekius (pagal E = mc²). Tai paskatino mintis apie antimedžiagos naudojimą energijos šaltiniams ar varikliams, tačiau praktinis panaudojimas kol kas neįmanomas dėl to, kad antimedžiagos gamyba yra labai brangi ir jos laikymas ilgam yra techniškai sudėtingas. Mažais kiekiais antimedžiaga saugoma ir naudojama tik moksliniams arba medicininiams tikslams.

Santrauka

Antidalelės — tai dalelės partnerės su ta pačia mase, bet priešingu elektriniu krūviu ir kitų kvantinių skaičių ženklu. Jos susidaro aukštos energijos procesuose ir gali anihiliuoti su atitinkamomis dalelėmis, pavertdamos masę energija. Antimedžiaga yra labai svarbi fundamentaliems fizikos tyrimams ir turi praktinių panaudojimų (pvz., PET), tačiau jos masinė gamyba ir saugojimas išlieka didelių technologinių iššūkių sritis.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra antidalelė?

K: Ar elektringai neutralios dalelės yra tapačios savo antidalelėms?

K: Kas yra dalelių ir antidalelių poros?

K: Kas atsitinka, kai dalelių ir antidalelių poros yra atitinkamose kvantinėse būsenose?

K: Kaip dalelių ir antidalelių poros susidaro dalelių greitintuvuose?

K: Kur gamtoje matomos antidalelės?

K: Ką reiškia žodis antimaterija?

Paieška pagal raidę