У физици честица, свака честица има своју античестицу. Античестице има исту масу као и честица, али има обрнуто наелектрисање. Изузетак су честице без масе, бозони, у које спада на примерфотон. Занимљиво је, да чак и електрично неутралне честице, на примернеутрон, нису идентичне са својом античестицом. У наведеном примеру, неутрон је изграђен одкваркова, док је антинеутрон изграђен одантикваркова.
Честица и античестица могу да униште једна другу уколико се налазе у одговарајућемквантном стању.Могу се произвети у разним процесима. Ови процеси данас се користе уакцелераторима честица, у циљу стварања нових честица и тестирању теорије физике честица.
Процеси са високом енергијом природно могу да произведу античестицу. Античестице се могу видету у космичком зрачењу, као и у одређеним нуклеарним реакцијама.
Године1932, убрзо након појаве позитрона (Пол Дирак),Карл Д. Андерсон је пронашао ове честице у сударима, у космичком зрачењу . Пронађене су помоћуВилсонове камере тј. детектора. У овом детектору честица дошло је до померања електрона или позитрона, притом се визуелно може видети путања којом се крећу. Када се у детектор уведе магнетско поље, долази до специфичног кретања сваке честице, у управо по тој путањи се препознаје о којој честици је реч. У случају електрона и позитрона, дошло је до закривљења путање, али у обрнутом смеру од смера којим би се електрон кретао. Тако је откривен позитрон тј. електронова античестица.
Антипротон иантинеутрон је пронашаоЕмилио Сегре иОвен Чамберлејн 1955. године наБаркли универзитету у Калифорнији.[1] Од тада, многе античестице се користе у акцелераторима честица за велике експерименте. Послењих година ова грана физике је веома напредовала у истраживању и детековању скоро свих постојећих античестица.[2]
РешењаДиракове једначине садрже квантна стања негативне енергије. Као резултат тога, електрон би увек могао да зрачи енергију и да падне у негативно енергетско стање. Још горе, могао би да настави да зрачи бесконачне количине енергије, јер је на располагању било бесконачно много негативних енергетских стања. Да би спречио да се ова нефизичка ситуација догоди, Дирак је предложио да „море” електрона негативне енергије испуни универзум, који већ заузимају сва стања ниже енергије, тако да, збогПаулијевог принципа искључења, ниједан други електрон не може да упадне у њих. Понекад би, међутим, једна од ових честица негативне енергије могла бити подигнута из овогДираковог мора да постане честица позитивне енергије. Али, када би се подигла, оставила би за собомотвор у мору који би деловао тачно као електрон позитивне енергије са обрнутим наелектрисањем. Ове рупе је Пол Дирак протумачио као „електроне негативне енергије” и погрешно их је поистоветио сапротонима у свом раду из 1930.Теорија електрона и протона.[4] Међутим, испоставило се да су ови „електрони негативне енергије”позитрони, а непротони.
Ова слика је имплицирала бесконачно негативно наелектрисање универзума - проблем којег је Дирак био свестан. Дирак је покушао да аргументује да бисмо ово схватили као нормално стање нултог наелектрисања. Друга потешкоћа била је разлика у масама електрона и протона. Дирак је покушао да тврди да је то последица електромагнетних интеракција са морем, све докХерман Вајл није доказао да је теорија отвора потпуно симетрична између негативних и позитивних наелектрисања. Дирац је такође предвидео реакцијуe− + p+ → γ + γ, где се електрон и протон поништавају дајући два фотона.Роберт Опенхајмер иИгор Там су, међутим, доказали да би то изазвало пребрзо нестанак обичне материје. Годину дана касније, 1931. Дирак је модификовао своју теорију и постулирао позитрон, нову честицу исте масе као електрон. Откриће ове честице следеће године отклонило је две последње замерке његовој теорији.
У оквиру Диракове теорије остаје проблем бесконачног набоја универзума. Некибозони такође имају античестице, али пошто се бозони не повињавајуПаулијевом принципу искључења (самофермиони то раде), теорија отвора за њих не функционише. Уједињено тумачење античестица је сада доступно уквантној теорији поља, која решава оба ова проблема описујући антиматерију као негативна енергетска стања истог основног поља материје, тј. честице које се крећу уназад у времену.[5]
Пример виртуелног парапиона који утиче на ширењекаона, изазивајући мешање неутралног каона са антикаоном. Ово је примерренормализације уквантној теорији поља – теорија поља је неопходна због промене броја честица.
Ако су честица и античестица у одговарајућим квантним стањима, онда могу да анихилирају једна другу и произведу друге честице. Реакције као што суe− + e+ → γγ (двофотонска анихилација пара електрон-позитрон) су пример. Једнофотонска анихилација параe− + e+ → γ, не може се десити у слободном простору, јер је немогуће сачувати енергију иимпулс заједно у овом процесу. Међутим, у Кулоновом пољу језгротранслационе инваријантности је нарушено и може доћи до једнофотонске анихилације.[6] Из тог разлога је немогућа и обрнута реакција (у слободном простору, без атомског језгра). У квантној теорији поља, овај процес је дозвољен само као међуквантно стање за времена довољно кратка да се кршење очувања енергије може прилагодитипринципу неодређености. Ово отвара пут за стварање виртуелног пара или уништење у коме квантно стање једне честице може флуктуирати у стање две честице и назад. Ови процеси су важни устању вакуума иренормализацији квантне теорије поља. Ово такође отвара пут за мешање неутралних честица кроз процесе као што је овај на слици, што је компликован примерренормализације масе.
Квантна стања честице и античестице се замењују комбинованом применомконјугације наелектрисања,паритета ивременске инверзије. и су линеарни, унитарни оператори, је антилинеаран и антиунитаран,. Ако означава квантно стање честице са моментом и спином чија је компонента у z-смеру, затим једна има
где означава конјуговано стање наелектрисања, односно античестицу. Конкретно, масивна честица и њена античестица се трансформишу под истомиредуцибилном репрезентацијомПоенкареове групе, што значи да античестица има исту масу и исти спин.
Ако се, и могу дефинисати засебно на честицама и античестицама, онда
где знак пропорционалности указује да би на десној страни могла бити фаза.
Како се антикомутира са набојима,, честица и античестица имају супротнаелектрична наелектрисања q и -q.
Поље електрона без мешања оператора анихилације и стварања оператора може се изразити писањем
где се користи симболk да се означе квантни бројевиp и σ из претходног одељка и знак енергије,E(k), аak означава одговарајуће операторе анихилације. Наравно, како се ради офермионима, потребни су оператори који задовољавају канонске антикомутационе релације. Међутим, ако се сада запишеХамилтонијан
онда се одмах види да очекивана вредностH не мора бити позитивна. То је зато штоE(k) може имати било који предзнак, и комбинација оператора стварања и поништења има очекивану вредност 1 или 0.
Дакле, мора се увести пољеантичестица конјугованог наелектрисања, са сопственим операторима стварања и анихилације који задовољавају релације
гдеk има истоp, и супротно σ и знак енергије. Тада се може преписати поље у облику
где је први збир преко позитивних енергетских стања, а други преко стања негативне енергије. Енергија постаје
где јеE0 инфинитивна негативна константа.Вакуумско стање се дефинише као стање без честице или античестице, тј. и. Тада је енергија вакуума тачноE0. Пошто се све енергије мере у односу на вакуум,H је позитивно одређен. Анализа особинаak иbk показује да је један оператор анихилације за честице, а други за античестице. Ово је случајфермиона.
Разматрајући пропагацију негативних енергетских модова електронског поља уназад у времену,Ернст Штукелберг је дошао до сликовитог разумевања чињенице да честица и античестица имају једнаку масуm и спинJ, али супротна наелектрисањаq. То му је омогућило да препишетеорију пертурбације управо у облику дијаграма.Ричард Фајнман је касније дао независну систематску деривацију ових дијаграма из формализма честица, и они се сада називајуФајнманови дијаграми. Свака линија дијаграма представља честицу која се шири уназад или унапред у времену. Ова техника је данас најраспрострањенија метода израчунавања амплитуда у квантној теорији поља.
Пошто је ову слику први развио Штукелберг,[7] а своју модерну форму је стекла у Фајнмановом раду,[8] она се називаФејнман-Штукелбергова интерпретација античестица у част оба научника.
