antipartícula - Wikilingue - Encydia
À cada uma das partículas da natureza corresponde-lhe uma antipartícula que possui a mesma massa, o mesmo espín, mas diferente ónus eléctrico. Algumas partículas são idênticas a sua antipartícula, como por exemplo o fotón, que não tem ónus. Mas não todas as partículas de ónus neutra são idênticas a sua antipartícula. Sempre temos tido a impressão de que as leis da natureza pareciam ter sido desenhadas para que todo fosse simétrico entre partículas e antipartículas até que os experimentos da chamada violação CP (violação carrega paridade) encontraram que a simetría temporária se violava em certos acontecimentos da natureza. O excesso observado de bariones com respeito aos anti-bariones, no universo, é um dos principais problemas sem resposta da cosmología.
Pare-los partícula-antipartícula podem aniquilar-se entre eles se se encontram no estado cuántico apropriado. Estes estados podem produzir em vários processos. Estes processos usam-se nos aceleradores de partículas para criar novas partículas e provar as teorias da física de partículas. Os processos de altas energias na natureza podem criar antipartículas, e estes são visíveis devido aos raios cósmicos e em certas reacções nucleares. A palavra antimateria refere-se às antipartículas elementares, os compostos de antipartículas feitos com estas (como o antihidrógeno) e formações maiores que podem se fazer com eles.
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História
O experimento
Em 1932 , pouco depois da predição do positrón por Dirac , Carl D. Anderson encontrou que as colisões dos raios cósmicos produziam estas partículas dentro de uma câmara de nevoeiro— um detector de partículas onde os elétrons ou os positrones que se movem através dele deixam por trás deles trajectórias, marcando seu movimento pelo gás. A relação entre o ónus eléctrico e a massa de uma partícula pode medir-se observando as curvas que marcam em seu caminho pela câmara de nevoeiro dentro de um campo magnético. Originalmente os positrones, como suas trajectórias também se curvavam, foram confundidos com elétrons que viajavam na direcção oposta.
O antiprotón e o antineutrón foram encontrados por Emilio Segrè e Owen Chamberlain em 1955 , na universidade de Califórnia. Desde então criaram-se as antipartículas de muitas outras partículas subatómicas nos experimentos com aceleradores de partículas. Em anos recentes, conseguiu-se gerar átomos completos de antimateria compostos por antiprotones e positrones, colectados em armadilhas electromagnéticas. Não obstante, há uma partícula chamada antiquark.
A teoria de ocos
...o desenvolvimento da teoria cuántica de campos fez desnecessária a interpretação das antipartículas como ocos, inclusive ainda que desafortunadamente ainda persiste em muitos livros de texto.[1]
As soluções da equação de Dirac continham estados cuánticos de energia negativa. Como resultado um elétron sempre poderia radiar energia caindo em um estado de energia negativa. Inclusive pior que isso, poderia estar radiando uma quantidade infinita de energia porque teria disponíveis infinitos estados de energia negativa. Para resolver esta situação que ia contra a física, Dirac postuló que um "mar" de elétrons de energia negativa enchiam o universo, já ocupando todos os estados de energia negativa de forma que, devido ao princípio de exclusão de Pauli nenhum outro elétron poderia cair neles. No entanto, às vezes, uma destas partículas com energia negativa poderia ser elevada desde este mar de Dirac a um nível de energia maior para converter em uma partícula de energia positiva. Mas, quando era elevada, esta partícula deixava um oco detrás no mar, que actuaria exactamente como um elétron de energia positiva mas com ónus contrário. Dirac interpretou estes elétrons inversos como protones, e chamou por isso a seu artigo de 1930 Uma teoria de elétrons e protones.
Dirac já era consciente do problema de que esta representação implicava um ónus negativo infinita para o universo, e tentou argumentar que nós perceberíamos este estado como o estado normal de ónus zero. Outra dificuldade que esta teoria encontrava era a diferença entre as massas do elétron e o protón. Aqui Dirac tentou solucioná-lo argumentando que isto se devia às interacções electromagnéticas com esse "mar", até que Hermann Weyl provou que a teoria de ocos era completamente simétrica entre o ónus negativos e positivas. Dirac também predisse uma reacção e- + p+ → γ + γ (na que o elétron e o protón se aniquilavam para dar dois fotones). Robert Oppenheimer e Igor Tamm provaram que isto causaria que a matéria ordinária desaparecesse demasiado depressa. Em um ano mais tarde, em 1931 , Dirac modificou sua teoria e postuló o positrón, uma partícula nova da mesma massa que o elétron. A descoberta dessa partícula no ano seguinte eliminou as duas últimas objeciones a sua teoria.
No entanto permanecia o problema do ónus infinito do universo. Também, como agora sabemos, os bosones (partículas com spin inteiro) também possuem antipartículas, mas estes não obedecem o princípio de exclusão de Pauli, de modo que a teoria dos ocos não funciona com eles. A teoria cuántica de campos proporciona uma interpretação unificada das antipartículas, que resolve ambos problemas.
Aniquilación partícula-antipartícula
Se uma partícula e sua antipartícula encontram-se nos estados cuánticos apropriados, então podem aniquilar-se a uma à outra e produzir outras partículas. As reacções como:
e+ + e- → γ + γ
(aniquilación de um par elétron-positrón em dois fotones) são um exemplo do processo.
A aniquilación de um par elétron-positrón em um sozinho fotón: e+ + e- → γ não pode ocorrer porque é impossível que se conservem a energia e o momento ao mesmo tempo neste processo. A reacção inversa é também impossível por esta razão. No entanto, este fenómeno observa-se na natureza; pode-se criar um par elétron-positrón a partir de um sozinho fotón com uma energia de ao menos a massa de ambas partículas: 1.022 MeV. O verdadeiro, é que segundo a teoria cuántica de campos este processo está permitido como um estado cuántico intermediário para tempos suficientemente curtos nos que a violação da conservação da energia pode acomodar ao princípio de incerteza de Heisenberg . Isto abre a via para a produção de pares virtuais' ou sua aniquilación onde o estado cuántico de uma sozinha partícula pode fluctuar em um estado cuántico de duas partículas e voltar a seu estado inicial. Estes processos são importantes no estado vazio e a renormalización de uma teoria cuántica de campos. Também abre o caminho para uma mistura de partículas neutras através de processos como o mostrado aqui, que é um exemplo complicado da renormalización da massa.
Propriedades das antipartículas
Os estados cuánticos de uma partícula e de sua antipartícula podem trocar-se aplicando a simetría de ónus (C), paridade (P), e a simetría temporária (T). Se |p,σ,n> é o estado cuántico de uma partícula (n), com momento p, spin J cujo componente na direcção z é σ, então teremos
- CPT |p,σ,n> = (-1)J-σ |p,-σ,nc>,
onde nc é o estado de ónus conjugado, isto é, a antipartícula. Este comportamento baixo CPT é o mesmo que estabelece que uma partícula e sua antipartícula estão na mesma representação irreducible do grupo de Poincaré. As propriedades das antipartículas podem relacionar-se assim com as das partículas. Se T é uma boa simetría da dinâmica, então
- T |p,σ,n> α |-p,-σ,n>
- CP |p,σ,n> α |-p,σ,nc>
- C |p,σ,n> α |p,σ,nc>,
onde o signo de proporcionalidade indica que poderia existir um termo de fase no lado direito da equação. Em outras palavras, a partícula e sua antipartícula devem ter:
- A mesma massa m,
- o mesmo estado de spin J,
- ónus eléctricos opostas q e -q.
Teoria Cuántica de Campos
Esta secção utiliza as ideias, a linguagem e a anotação usada na cuantización canónica da teoria cuántica de campos.
Pode-se tentar cuantizar o campo de um elétron sem misturar os operadores de criação e aniquilación escrevendo:
- ψ(x) = ∑k ouk(x) a k e-i E(k)t,
onde se está a usar o símbolo k para denotar os números cuánticos p e σ das secções anteriores, o signo da energia E(k) e a k denota os operadores correspondentes de aniquilación. Por suposto, como estamos a tratar com fermiones, os operadores deverão satisfazer as relações canónicas anticonmutativas. No entanto, se escrevemos o Hamiltoniano
- H = ∑k E(k) a +k a k,
vemos imediatamente que o valor esperado de H não precisa ser positivo. Isto ocorre porque E(k) pode ter qualquer signo possível, e a combinação de operadores de criação e de aniquilación tem valor esperado 1 ou 0.
Por conseguinte deve-se introduzir o campo antipartícula de ónus conjugada com seus próprios operadores de criação e de aniquilación que satisfaçam as seguintes relações:
- bk' = a +k e b+k' = a k.
onde k' tem o mesmo p, σ e signo da energia opostos. Assim podemos reescribir o campo na forma:
- ψ(x) = ∑k(+) ouk(x) a k e-i E(k)t + ∑k(-) ouk(x) b+k e-i E(k)t,
onde o primeiro sumatorio se realiza sobre os estados positivos de energia e o segundo sobre os de energia negativa. A energia então transforma-se em
- H = ∑k(+) E(k) a +k a k + ∑k(-) |E(k)| b+k bk + E0,
onde E0 é uma constante infinita negativa. O estado vazio define-se como o estado que não contém nenhuma partícula nem antipartícula, isto é, a k |0> = 0 e bk |0> = 0. Desta forma a energia do vazio será exactamente E0. Como todas as energias se medem com respeito ao vazio, H será definitivamente positiva. Uma análise das propriedades de a k e de bk mostra que um é o operador de aniquilación para as partículas e o outro para as antipartículas. Este é o caso de um fermión.
Esta aproximação devemos-lha a Vladimir Fock, Wendell Furry e Robert Oppenheimer. Se se cuantiza um campo escalar real, então encontra-se que só há uma classe de operador de aniquilación, por conseguinte os campos escalares descrevem aos bosones neutros. Como os campos escalares complexos admitem duas classes diferentes de operadores de aniquilación, que estão relacionados por conjugação, esses campos descrevem bosones carregados.
A interpretação de Feynman e Stueckelberg
Considerando a propagación para atrás no tempo da metade do campo do elétron que tem energias positivas, Richard Feynman mostrou que se violava a causalidad a não ser que se permitisse que algumas partículas viajassem mais rápidas que a luz. Mas se as partículas pudessem viajar mais rápido que a luz então, desde o ponto de vista de outro observador inercial pareceria como se estivesse a viajar atrás no tempo e com ónus oposto.
Desta forma Feynman chegou a entender de forma gráfica o facto de que a partícula e sua antipartícula tivessem a mesma massa m e spin J mas ónus opostos. Isto lhe permitiu reescribir a teoria de perturbaciones de forma precisa em forma de diagramas, chamados diagramas de Feynman, com partículas viajando adiante e atrás no tempo. Esta técnica é agora a mais estendida para calcular amplitudes na teoria cuántica de campos.
Este gráfico foi desenvolvido de forma independente por Ernest Stueckelberg, e por isso se deu em chamar a interpretação de Feynman e Stueckelberg das antipartículas.
Veja-se também
Referências
- ↑ Steven Weinberg em Teoria cuántica de campos, Vol I, p 14, ISBN 0-521-55001-7
