Antycząstka to typ standardowy model cząstki masy i wirowania równym zasięgowi odpowiedniej cząsteczki, lecz przeciwne liczb kwantowych .
Na przykład elektron i pozyton mają tę samą masę (9,1 × 10-31 kg ) i ten sam spin (1/2), ale przeciwne liczby kwantowe (na przykład q = -1,6 × 10 - 19 kulombów dla elektronu, P = 1,6 x 10 -19 kulombów na pozyton). Zgodnie z konwencją mówimy, że pozyton jest antycząstką związaną z elektronem. Formalnie sytuacja odwrotna jest równie prawdziwa; Fakt traktowania jednej (elektronu) jako „cząstki”, a drugiego (pozytonu) jako „antycząstki” jest czysto konwencjonalny, a wybór ten wynika z faktu, że materia, z którą zwykle żyjemy iz której jesteśmy stworzeni składa się z cząstek, a nie z antycząstek (antymaterii).
Historia antycząstki zaczyna się na przełomie lat trzydziestych XX wieku.
Paul Dirac przewidział istnienie tych cząstek w 1928 roku, badając elektron. Opis zachowania cząstek formułuje za pomocą swojego równania, które ustala jedynie kwadrat określonych wielkości. W związku z tym równanie to ma dwa rozwiązania: „zwykłe” rozwiązanie odpowiadające zachowaniu znanych cząstek oraz rozwiązanie odpowiadające „teoretycznym” nieobserwowanym cząstkom o przeciwnym ładunku elektrycznym.
Pierwsza zaobserwowana antycząstka, pozyton , wytworzona w wyniku zderzeń promieni kosmicznych w atmosferze, została odkryta w 1933 roku przez Carla Davida Andersona , a następnie laboratoryjne eksperymenty z radioaktywnością potwierdziły to przewidywanie dla innych cząstek.
Fizyka atomowa otwiera się na fizykę cząstek elementarnych, która odkrywa, że spotkanie cząstki i jej antycząstki unicestwia je, emitując odpowiednią ilość energii zgodnie z dobrze znanym wzorem E = mc 2 . Energia ta następnie powoduje powstanie pary fotonów emitowanych pod kątem 180 ° i tej samej energii (w układzie odniesienia środka masy). Całkowita energia transportowana przez fotony w postaci impulsu odpowiada całej energii masowej początkowo występującej w systemie; a „masy” materii lub antymaterii sumują się, anihilując się nawzajem. „Masa” byłaby zatem niezależna od rodzaju rozważanego „materiału”.
I odwrotnie, koncentracja wystarczającej ilości energii powoduje powstanie jednej lub więcej par cząstka-antycząstka.
Antyprotony i antineutrony zostały odkryte w latach pięćdziesiątych XX wieku wraz z innymi cząstkami i antycząstkami, które tworzą bloki budulcowe Modelu Standardowego .
Ze względu na swój przeciwny ładunek elektryczny cząstka i jej antycząstka umieszczone w tym samym polu elektromagnetycznym są poddawane działaniu przeciwnych sił , które można wykorzystać do ich izolacji i zbadania antycząstek. Jednak bardzo trudno jest doskonale wyodrębnić antycząstkę: Gabriel Chardin wyjaśnia, że prawdopodobnie niemożliwe byłoby zważenie antyelektronu (pozytonu).
Aby stworzyć i obserwować antycząstki, stosuje się akcelerator cząstek , który może nadać cząstkom taką energię, że zderzenia uwolnią wystarczającą ilość energii, aby utworzyć pary cząstka-antycząstka.
Obecnie (do sierpień 2017), nie znamy żadnego naturalnie występującego „stabilnego” atomu antymaterii .
Antycząstka ma ładunek przeciwny do jej cząstki. Aby cząstka była własną antycząstką, musi być przede wszystkim „elektrycznie” obojętna (ładunek leptonowy).
Cząstka złożona może być swoją własną antycząstką, jeśli składa się z cząstek, które same są ich własnymi antycząstkami, lub jeśli składa się z cząstek elementarnych, które są wzajemnie ich antycząstkami. Tak jest w przypadku pionu π 0 .
Z drugiej strony, neutron nie może być własną antycząstką, chociaż jest neutralny, ponieważ składa się z kwarka górnego o ładunku +2/3 i dwóch kwarków dolnych o ładunku -1/3. Antyneutron składa się z antycząstek tych, które tworzą neutron: jeden antykwark o ładunku -2/3 i dwa antykwarki o ładunku +1/3 w dół. Dlatego różni się od neutronu.
Istnieją 4 rozwiązania równania Diraca : odpowiadają one cząstce i jej antycząstce, z dwiema możliwymi orientacjami spinowymi .
W przypadku równania Majorany istnieją tylko dwa: antycząstka jest odpowiednikiem cząstki widzianej w lustrze. Dlatego podczas przechodzenia przez antycząstkę następuje odwrócenie spinu.
Patrząc na cząstkę w lustrze, z jednej strony odwraca się jej spin, az drugiej helikalność , czyli rzut spinu na jego prędkość. Jednak helikalność zmienia się, gdy zmieniamy układ odniesienia, poruszając się szybciej niż cząstka. Jest to możliwe tylko dla cząstki o masie niezerowej, ponieważ cząstki o masie zerowej poruszają się z prędkością światła w próżni, która jest nieprzekraczalna (taka zmiana układu odniesienia nie miałaby sensu).
W fermionami są klasyfikowane zgodnie z faktu, czy ich własna antyczastka. Dlatego nazywamy:
Wszystkie cząstki, dla których rozstrzygnięto pytanie, są cząstkami Diraca.
Wątpliwości pozostają co do neutrina, ponieważ ma ono tę szczególną cechę, że było obserwowane tylko z lewą helikalnością, a antyneutrino z prawą helikalnością.
Rozróżnienie między cząstkami Diraca i Majorany nie ma sensu w przypadku cząstek o zerowym spinie. Dlatego po angielsku mówimy o „fermionach Diraca” i „fermionach Majorany”, a nie o cząstkach.
Cząstka o zerowej masieDla cząstki o zerowej masie helikopter ma tylko jedną możliwą orientację. Dlatego rozróżnienie między cząstkami Diraca i cząstkami Majorany nie ma już znaczenia.
Inne cząstkiFoton , hipotetyczny grawiton i gluony są ich własne antycząstkami.
Symetria obserwowana między elektronem i pozytonem w równaniu Diraca jest faktem, ogólną własnością całej teorii. Symetria to transformacja, która pozostawia obiekt niezmieniony lub która nie zmienia wyniku eksperymentu: na przykład obrót sześcianu z jednej ściany na drugą (90 °) jest symetrią, ponieważ się nie zmienia sześcian i / lub nie generuje ruchu z powodu grawitacyjnego powrotu na płaszczyznę układania po zwolnieniu.
Z drugiej strony nachylenie 15 ° w stosunku do płaszczyzny układania daje niestabilną kostkę po zwolnieniu. W tym przypadku mówimy, że występuje złamanie symetrii lub naruszenie symetrii.
Mówiąc bardziej ogólnie, symetrie w fizyce cząstek elementarnych przypominają bardziej regularności. Wszystkie podstawowe interakcje opierają się na pewnych symetriach cząstek.
Istnieją trzy symetrie, zwane odpowiednio C, P i T, odnoszące się odpowiednio do ładunku elektrycznego (ładunku leptonowego), parzystości (zwierciadła) i czasu. Na początku analizy istnieją cztery hipotezy wyjaśniające asymetrię między obecnością materii a faktycznym brakiem antymaterii:
Kiedy cząstka o masie m wchodzi w kontakt z odpowiadającą jej antycząstką, anihilują, tworząc jedną lub więcej cząstek dowolnego rodzaju, ale których skumulowana energia będzie równa tej dwóch cząstek początkowych i które również zachowują pewną liczbę cech charakterystycznych, takie jak całkowity ładunek elektryczny, który musi zatem pozostać zerowy. W szczególności anihilacja może spowodować powstanie cząstki i jej antycząstki, różnych od początkowych.
Przykład: anihilujący proton i antyproton mają energię co najmniej E = 2 × 1,6 × 10-27 × c 2 = 0,3 × 10-9 dżuli; mogą np. przekształcić się w parę ( elektron , antyelektron ) o prędkości v = 0,98 × c, większość energii jest wówczas zamieniana w postaci energii kinetycznej (prędkości).
Izolowany foton nie może sam stworzyć pary cząstka / antycząstka, ponieważ nie może istnieć jednocześnie zachowanie energii, ładunku i pędu. Niemniej jednak może tworzyć wirtualne pary, które uwzględniamy podczas badania próżni kwantowej .
Chociaż atomy Antywodór zostały stworzone w laboratorium, w ograniczonych ilościach, od końca XX th wieku , okres ich życia jest bardzo krótki, brak urządzeń do przechowywania danych, które można przechowywać je wyizolować z materiału. Ich stworzenie faktycznie wymaga ogromnych urządzeń ( akceleratora cząstek ) i niezwykle dużych ilości energii, znacznie więcej niż ich anihilacja z uwolnieniami materii, co zagraża uzyskaniu rzeczywistego postępu w ich zachowaniu.