Antipartikula

Partikulen fisikan, partikula mota bakoitza masa bereko antipartikula batekin lotzen da, baina aurkako karga fisikoekin (karga elektrikoarekin, esaterako). Adibidez, elektroiaren antipartikula positroia da (antielektroia ere esaten zaio). Elektroiak karga elektriko negatiboa duen bitartean, positroiak karga elektriko positiboa du, eta berez gertatzen da zenbait motatako desintegrazio erradioaktibotan. Kontrakoa ere egia da: positroiaren antipartikula elektroia da.

Partikula batzuk, hala nola fotoia, bere buruaren antipartikula dira. Bestela, partikula-antipartikula bakoitzerako partikula arrunt bat izendatzen da (materian, eguneroko bizitzan, eskuarki, elkarreraginean gertatzen dena). Bestea (normalean "anti-" aurrizkia emanda) antipartikula izendatzen da.

Partikula bikoteak eta antipartikulak elkarren artean deusezta daitezke, fotoiak sortuz; partikularen eta antipartikularen kargak elkarren kontrakoak direnez, karga totala mantendu egiten da. Adibidez, desintegrazio erradioaktibo naturalean azkar sortzen diren positroiak elektroiekin deuseztatzen dira, gamma izpi bikoteak sortuz. Prozesu hori positroi-igorpenaren bidezko tomografian erabiltzen da.

Naturako legeak ia simetrikoak dira partikulei eta antipartikulei dagokienez. Adibidez, antiprotoi batek eta positroi batek antihidrogeno atomo bat sor dezakete, eta hidrogeno-atomo baten propietate berak dituela uste da. Horrek galdera honetara garamatza: zergatik sortu zen materia Big Bang-aren ondoren eratzeak ia erabat materiaz osatutako unibertsoa, materiaren eta antimateriaren nahasketa izan beharrean. Kargen parekotasunaren bortxaketa aurkitzeak lagundu egin zuen arazo hori argitzen, simetria hori, hasiera batean perfektutzat jotzen zena, gutxi gorabeherakoa zela erakutsi baitzuen.

Karga kontserbatu egiten denez, ezin da antipartikularik sortu karga bereko beste partikula bat suntsitu gabe (adibidez, antipartikulak beta desintegrazioaren bidez edo izpi kosmikoak Lurraren atmosferarekin talka egitearen bidez gertatzen direnean), edo partikula bat eta haren antipartikula bat aldi berean sortzearen ondorioz (hori gerta daiteke CERNeko LHC moduko partikula-azeleragailuetan).

Partikulek eta haien antipartikulek aurkako kargak badituzte ere, elektrikoki neutroak diren partikulek ez dute beren antipartikulen berdin-berdina izan behar. Neutroia, adibidez, quarkez eginda dago, antineutroia antiquarkez, eta batzuk besteetatik bereizten dira, neutroiak eta antineutrioiak kontaktu bidez suntsitzen direlako. Hala ere, beste partikula neutro batzuk beren antipartikululak dira, hala nola fotoiak, Z⁰ bosoiak, π⁰ mesoiak, grabitoi hipotetikoak eta zenbait WIMP hipotetiko.

1932an, Paul Diracek positroia aurresan eta gero, Carl D. Andersonek izpi kosmikoen elkarjotzeak hodei kamara batean partikula hauek sortzen zituztela aurkitu zuen.

Antiprotoia eta antineutroia Emilio Segrè eta Owen Chamberlainek aurkitu zituzten 1955an Californiako Unibertsitatean. Harrezkeroz beste subatomiko partikulen antipartikulak partikula azeleraziogailuak erabiltzen dituzten saiakuntzetan sortu dira. Azken urteetan antiprotoiak eta positroiak erabiliz, antimateria atomoak eraiki dituzte.

Dirac ekuazioak quantum egoera negatiboak ditu emaitza posibletzat. Ondorioz, elektroi bat, energia erradiatuz gero, energia negatiboko egoera batera mugitu liteke. Are txarrago, energia erradiatuz jarrai lezake, energia negatiboko egoerak infinitoak izango litzatekeelako. Naturan hau gertatu ezin denez, Dirac-ek hurrena proposatu zuen: energia negatiboduneko elektroien "itxaso" batek unibertsoa betetzen du energia gutxieneko egoera guztiak betez eta beraz, Pauliren baztertze printzipioa jarraituz, beste elektroiak ezingo lirateke egoera hauetan sartu. Hala ere, batzuetan energia negatibodun partikula hauetako bat Dirac-en itxasoa utzi eta partikula positibo bilaka liteke, itxasoan "zulo" bat utziz. Zuloa energia positibodun elektroi baten antzera jarduten du, hau da, protoi baten antzera. Emaitza hauek 1930an "Protoi eta elektroien teoria" izenpean argitaratu ziren.

Dirac-ek, proposatutako teoriak unibertsoaren karga infinito negatiboa adierazten zuela ikusita, karga hau zero karga bezala hartzea erabaki zuen. Hala ere, oraindik elektroien eta protoien masa ezberdintasunak sortutako arazoak azaldu behar ziren. Dirac-en ustetan, itxasoak sortutako elkarekintza elektromagnetikoekin zerikusia zuen. Hermann Weylek georoago zulo teoria karga positibo eta negatiboen artean guztiz simetrikoa dela frogatu arren, oraindik dudak zeunden.

Bi fotoi sortzen dituen elektroi eta protoien deuseztaketa ere Dirac-ek iragarri zuen.

e + p → γ + γ

Materiaren desagerketa, ekuazio honetan oinarrituta azkarregi izango zela pentsatzen zuten Robert Oppenheimer eta Igor Tammek eta ondorioz 1931an Dirac-ek bere teoria aldatu eta positroia postulatu zuen, elektroiaren masa berdina baina kontrako karga duen partikula. Positroiaren postulatuak gorago aurkeztutako dudak argitu zituen.

Hala ere, unibertsoaren karga infinitoaren arazoak oraindik indarrean dirau. Gainera, bosoiak ere artipartikulak dituzte, nahiz eta Pauliren baztertze printzipioa ez jarraitu eta beraz zulo teoria ezin aplikatu. Quantum teorian oinarritutako interpretazioak arazo hauek erantzuteko gai da.

Partikula eta antipartikula quantum egoera egokian egonez gero, elkar deusezta dezakete, eta berez elkar deseztatuko dute partikula berriak sortuz, adibidez:

e⁺  +  e^-  →  γ  +  γ (elektroi-positroi bikotearen deuseztapena bi fotoi sortuz)

Elektroi-positroi bikotearen deuseztaketa fotoi bakar bat sortuz, hau da,

e⁺  +  e^-  →  γ

ezin da gertatu, energia eta momentua mantentzea ez baita posible. Hau dela eta, aurkako prozesua ere ezin da gertatu. Hala ere, quantum eremu teoriak aurkako prozesu hau bitarteko quantum egoera bat bezala onartzen du baldin eta prozesua denbora zati hain txikian gertatatzea ze energia kontserbazioaren printzipioa ziurgabetasunaren printzipioaz azaldu daitekeela. Beraz partikula bakarreko egoera quantum bat bi partikula eta aurkako egoereen artean fluktuatu dezake, bikote birtual baten sorrera edo deuseztaketa posiblea eginez. Prozesu hauek hutsaren teoria eta quantum eremu teorian garrantzi handia dute, bai eta partikula neutroen nahasketan (kasu honetan azaldutako prozesuak masa bernormalizaketaren adibide korapilatsuak dira).

Partikula eta antipartikula baten quantum egoerak karga konjugazio (C), parekotasun (P) eta denbora itzulgarria (T). Partikula baten quantum egoera (n) = |p,σ,n> bada, p momentua delarik eta σ J spinaren z-ardatzeko osagarri edo konponentea delarik,spina,

CPT |p,σ,n>  =  (-1)^J-σ |p,-σ,n^c

non n^c karga konjugazio egoera den, hau da, antipartikula. CPT barruan gertatzen den joera hau edo partikula eta dagokion antipartikula Poincare taldearen irudikapen sinplifikaezin berdinean daudela esatea berdina da. Partikula eta antipartikulen ezaugarriak bata bestearekin harremandu daitezke ideia honetan oinarrituta. T dinamika simetria ona bada,

T |p,σ,n>  α  |-p,-σ,n>

CP |p,σ,n>  α  |-p,σ,n^c>

C |p,σ,n>  α  |p,σ,n^c>,

non proportzionaltasun zeinuak eskubitara egon litekeen fasea indikatzen duen. Hau da, bai partikulak zein antipartikulak hurrengoa izan behar dute:

• masa berdina m
• spin egoera berdina J
• aurkako karga elektrikoak q eta -q.

Atal honek quantum eremu teoria baten kuantizazio kanonikoaren ideia, hizkuntza eta idazkera aztertzen ditu

Elektroi eremu bat kuantizatu daiteke, deuseztaketa eta sorketa erabileak nahastu barik, baldin eta

ψ(x)  =  ∑_k u_k(x) a_k e^{-i E(k)t},

non k aurreko ataleko p eta σren zenbaki kuantikoak den, E(k) energiaren sinboloa eta a_k dagokien erabile deuseztatzailea. Ekuazioan fermioiekin tratatzerakoan, erabileak antikommutazio ekuazioak bete behar ditu. Baina, Hamiltonian hau idatzi ezkero:

H  =  ∑_k E(k) a⁺_k a_k,

H emaitza positiboa beharrez ez dela izan behar ikusi daiteke, E(k) edozein zeinu izan eta sorketa erabileak 1 edo 0ko balorea bakarrik izan dezaketelako.