Féadann imbhuailtí ardfhuinnimh cáithníní péirí nó fótóin ábhar-fhrithmhéadair a chruthú, agus díothaíonn péirí ábhar-fhrithmhéadair chun fótóin a tháirgeadh freisin, mar a léiríonn na rianta seomra mboilgeog seo. Ach cad a chinneann an bhfuil cáithnín ábhair nó frithmhéadair? Creidmheas íomhá: Fermilab.

Fiafraigh de Ethan: Cad atá chomh ‘Frith’ Maidir le Antamatter?

Tá go leor airíonna ann a bhaineann go bunúsach le cáithníní, agus cé go bhfuil frith-chomhábhar ag gach duine, níl gach duine ábhar nó frithmhéadair.

I gcás gach cáithnín ábhair is eol a bheith ann sa Cruinne, tá macasamhla frithmhéadair ann. Tá go leor de na hairíonna céanna ag Antimatter agus atá ag gnáthábhar, lena n-áirítear na cineálacha idirghníomhaíochta a bhíonn aige, a mhais, méid a mhuirir leictreachais, agus mar sin de. Ach tá cúpla difríocht bhunúsach ann freisin. Ach tá dhá rud cinnte faoi idirghníomhaíochtaí ábhair-fhrithmhéadair: má imbhuaileann tú cáithnín ábhair le macasamhla frithmhéadair, déanann an bheirt acu díothú láithreach le fuinneamh íon, agus má théann tú faoi aon idirghníomhaíocht sa Cruinne a chruthaíonn cáithnín ábhair, ní mór duit a chruthú freisin a mhacasamhail antimatter. Mar sin, cad a dhéanann antimatter chomh “frith,” ar aon nós? Sin an rud ba mhaith le Robert Nagle a fháil amach, mar a iarrann sé:

Ar leibhéal bunúsach, cad é an difríocht idir ábhar agus a fhrithmhéadar contrapháirt? An bhfuil maoin intreach de chineál éigin ann a fhágann go bhfuil cáithnín ábhair nó frithmhéadair? An bhfuil roinnt maoine intreacha ann (cosúil le casadh) a dhéanann idirdhealú idir cairéil agus seandachtaí? Cad a chuireann an 'frith' in aghaidh ábhair?

Chun an freagra a thuiscint, caithfimid féachaint ar na cáithníní (agus na frith-chomhábhair) go léir atá ann.

Cloíonn cáithníní agus frith-chomhábhair an tSamhail Chaighdeánaigh le gach cineál dlíthe caomhnaithe, ach tá difríochtaí bunúsacha idir cáithníní fermionic agus antiparticles agus cinn bosónacha. Creidmheas íomhá: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Is é seo an tSamhail Chaighdeánach de cháithníní tosaigh: an tsraith iomlán cáithníní aimsithe sa Cruinne ar a dtugtar. De ghnáth bíonn dhá aicme de na cáithníní seo ann, na bosúin, a bhfuil spins slánuimhir orthu (…, -2, -1, 0, +1, +2,…) agus ní ábhar ná frithmhéadair iad, agus na fermions, a bhfuil leath- spins slánuimhir (…, -3/2, -1/2, +1/2, +3/2,…) agus ní mór gur cáithníní “cineál ábhair” nó “cineál frithmhéadair” iad. Maidir le haon cháithnín ar féidir leat smaoineamh ar a chruthú, beidh airíonna bunúsacha ag dul dó, arna sainiú ag an méid a thugaimid uimhreacha chandamach air. Maidir le cáithnín aonair ina aonar, áirítear leis seo roinnt tréithe ar dócha go mbeidh cur amach agat orthu, chomh maith le roinnt gnéithe nach mbeadh cur amach agat orthu, b’fhéidir.

Tá na cumraíochtaí féideartha seo do leictreon in adamh hidrigine difriúil óna chéile, ach is ionann iad uile agus an cáithnín cruinn céanna i stát chandamach atá beagán difriúil. Tá uimhreacha chandamach intreacha ag cáithníní (agus frith-chomhábhair) nach féidir a athrú, agus tá na huimhreacha sin ríthábhachtach chun a shainiú an bhfuil cáithnín ina ábhar, ina ábhar frithmhéadair nó nach bhfuil. Creidmheas íomhá: PoorLeno / Wikimedia Commons.

Is iad na cinn éasca rudaí cosúil le mais agus muirear leictreach. Mar shampla, tá mais scíthe de 9.11 × 10 ^ –31 kg ag leictreon, agus muirear leictreach de -1.6 × 10 ^ –19 C. Is féidir le leictreoin ceangal le chéile le prótóin chun adamh hidrigine a tháirgeadh, le sraith de línte speictrim agus gnéithe astaíochta / ionsúcháin bunaithe ar an bhfórsa leictreamaighnéadach eatarthu. Tá casadh de +1/2 nó -1/2 ag leictreoin, uimhir lepton de +1, agus uimhir teaghlaigh lepton de +1 don chéad (leictreon) de na trí theaghlach (leictreon, mu, tau) lepton. (Táimid chun neamhaird a dhéanamh ar uimhreacha cosúil le isospin lag agus hipearcharge lag, ar mhaithe le simplíocht.)

I bhfianaise na n-airíonna seo atá ag leictreon, is féidir linn fiafraí díom féin cén chuma a bheadh ​​ar mhacasamhail fhrithmhéadair an leictreon, bunaithe ar na rialacha a rialaíonn cáithníní bunata.

In adamh hidrigine simplí fithisíonn leictreon amháin prótón amháin. In adamh frith-hidrigin, fothaíonn positron amháin (frith-leictreon) antiproton amháin. Is iad positrons agus antiprotons na comhghleacaithe antimatter leictreoin agus prótón, faoi seach. Creidmheas íomhá: Lawrence Berkeley Labs.

Caithfidh méideanna na n-uimhreacha chandamach go léir fanacht mar an gcéanna. Ach i gcás antiparticles, caithfear comharthaí na n-uimhreacha chandamach seo a aisiompú. Maidir le frith-leictreon, ciallaíonn sé sin gur cheart go mbeadh na huimhreacha chandamach seo a leanas aige:

  • mais scíthe de 9.11 × 10 ^ –31 kg,
  • muirear leictreach +1.6 × 10 ^ –19 C,
  • casadh de (faoi seach) -1/2 nó +1/2,
  • uimhir lepton de -1,
  • agus uimhir teaghlaigh lepton de -1 don chéad teaghlach lepton (leictreon).

Agus tú á cheangal le chéile le antiproton, ba cheart dó an tsraith chéanna línte speictrim agus gnéithe astaíochta / ionsúcháin a tháirgeadh a tháirg an córas leictreon / prótón.

Taispeánann aistrithe leictreon san adamh hidrigine, mar aon le tonnfhaid na bhfótón dá bharr, éifeacht an fhuinnimh cheangailteach agus an gaol idir an leictreon agus an prótón san fhisic chandamach. Fíoraíodh go bhfuil na línte speictrim idir positrons agus antiprotons díreach mar an gcéanna. Creidmheas íomhá: Úsáideoirí Wikimedia Commons Szdori agus OrangeDog.

Fíoraíodh na fíricí seo go léir go turgnamhach. Is é an cáithnín a mheaitseálann an tuairisc bheacht seo ar an bhfrith-leictreon an cáithnín ar a dtugtar positron! Tagann an chúis go bhfuil sé seo riachtanach nuair a dhéanann tú machnamh ar an gcaoi a ndéanann tú ábhar agus frithmhéadair: is gnách go ndéanann tú iad ó rud ar bith. Is é sin le rá, má imbhuaileann tú dhá cháithnín le chéile ag fuinneamh ard go leor, is minic gur féidir leat péire “cáithníní-antiparticle” breise a chruthú as an mbreis fuinnimh (ó E = mc2 Einstein), a chaomhnaíonn fuinneamh.

Aon uair a imbhuaileann tú cáithnín lena antiparticle, féadfaidh sé é a dhíothú i bhfuinneamh íon. Ciallaíonn sé seo má imbhuaileann tú dhá cháithnín ar bith le go leor fuinnimh, is féidir leat péire ábhar-fhrithmhéadair a chruthú. Creidmheas íomhá: Andrew Deniszczyc, 2017.

Ach ní gá duit ach fuinneamh a chaomhnú; tá roinnt uimhreacha chandamach ann a chaithfidh tú a chaomhnú freisin! Ina measc seo tá gach ceann díobh seo a leanas:

  • muirear leictreach,
  • móiminteam uilleach (a chomhcheanglaíonn móiminteam uilleach “casadh” agus “fithiseach”; do cháithníní aonair, neamhcheangailte, níl ansin ach “casadh”),
  • uimhir lepton,
  • uimhir baryon,
  • uimhir theaghlaigh lepton,
  • agus muirear datha.

As na hairíonna intreacha seo, tá dhá cheann ann a shainmhíníonn tú mar “ábhar” nó “frithmhéadair,” agus is iad sin “uimhir baryon” agus “uimhir lepton.”

Go luath sa Cruinne, bhí an tsraith iomlán cáithníní agus a gcáithníní frithmhéadair thar a bheith flúirseach, ach de réir mar a fhuaraigh siad na Cruinne, rinne an tromlach iad a dhíothú. Is é an t-ábhar traidisiúnta ar fad atá fágtha againn inniu ná na cairéil agus na leptóin, le huimhreacha dearfacha baryon agus lepton, a bhí níos mó ná a gcomhghleacaithe antiquark agus antilepton. (Ní thaispeántar ach cairéil agus seandachtaí anseo.) Creidmheas íomhá: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Má tá ceachtar de na huimhreacha sin dearfach, is cuma leat. Sin an fáth go bhfuil cairéil (a bhfuil uimhir baryon +1/3 ag gach ceann acu), leictreoin, muons, taus, agus neutrinos (a bhfuil uimhir lepton de +1 ag gach ceann acu) ar fad, cé go bhfuil seandachtaí, positrons, frith-muons, frith-taus , agus tá frith-neodrinos uile frithmhéadair. Is iad seo na fermions agus antifermions go léir, agus tá gach fermion cáithnín ábhar cé go bhfuil gach antifermion cáithnín antimatter.

Cáithníní an mhúnla chaighdeánaigh, le maiseanna (i MeV) ar thaobh na láimhe deise. Is iad na Fermions na trí cholún ar chlé; líonann na bosúin an dá cholún cheart. Cé go bhfuil antiparticle comhfhreagrach ag na cáithníní go léir, ní féidir ach na fermions a bheith ábhar nó frithmhéadair. Creidmheas íomhá: úsáideoir Wikimedia Commons MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Oifig Eolaíochta, Roinn Fuinnimh na Stát Aontaithe, Grúpa Sonraí na gCáithníní.

Ach tá na bosúin ann freisin. Tá glútan ann a bhfuil gliúnna na gcomhcheangail dathanna contrártha dá n-antiparticles; tá an W + ann atá mar fhrith-phaidrín an W- (le muirear leictreach os coinne), agus tá an Z0, bosón Higgs, agus an fótón, arb iad a n-antiparticles féin iad. Mar sin féin, ní ábhar bos ná frithmhéadair iad boscaí. Gan uimhir lepton nó uimhir baryon, d’fhéadfadh go mbeadh muirir leictreacha, muirir datha, spins, srl. Ar na cáithníní seo, ach ní féidir le duine ar bith iad féin a ghlaoch mar “ábhar” nó “frithmhéadair” agus a mhacasamhail fhrithmhiocróbach an ceann eile. Sa chás seo, is boscaí iad bosóin, agus mura bhfuil aon mhuirir orthu, ansin níl iontu ach a n-antiparticles féin.

Ar gach scálaí sa Cruinne, ónár gcomharsanacht áitiúil go dtí an meán idir-réaltach go réaltraí aonair go braislí go filiméid agus an gréasán mór cosmaí, is cosúil go ndéantar gach rud a bhreathnaímid as gnáthábhar agus ní frithmhéadar. Is rúndiamhair gan mhíniú é seo. Creidmheas íomhá: NASA, ESA, agus Foireann Oidhreachta Hubble (STScI / AURA).

Mar sin, cad a chuireann an “frith” in fhrithmhéadair? Más cáithnín aonair tú, ansin tá an mhais chéanna ag do fhrith-phaidrín agus atá agat leis na huimhreacha chandamach caomhnaithe os coinne: is é an cáithnín atá in ann tú a dhíothú ar ais le fuinneamh íon má bhuaileann an bheirt agaibh riamh. Ach más mian leat a bheith tábhachtach, ní mór duit baryon dearfach nó uimhir lepton dearfach a bheith agat; más mian leat a bheith frithmhéadair, caithfidh baryon diúltach nó uimhir lepton diúltach a bheith agat. Taobh amuigh de sin, níl aon chúis bhunúsach ar eolas go raibh ábhar fabhrach ag ár Cruinne seachas frithmhéadair; níl a fhios againn fós conas a briseadh an siméadracht sin. (Cé go bhfuil smaointe againn.) Dá mbeadh rudaí difriúil ar bhealach difriúil, is dócha go nglaofaí orainn cibé rud a rinneadh de “ábhar” agus a mhalairt de “fhrithmhéadair”, ach cé a fhaigheann an t-ainm atá go hiomlán treallach. Mar is amhlaidh i ngach rud, tá an Cruinne claonta i dtreo na marthanóirí.

Seol isteach do chuid ceisteanna Iarr ar Ethan chuig startwithabang ag gmail dot com!

Tá Starts With A Bang ar Forbes anois, agus athfhoilsithe ar Meán a bhuíochas lenár lucht tacaíochta Patreon. Tá dhá leabhar ag Ethan, Beyond The Galaxy, agus Treknology: The Science of Star Trek ó Tricorders go Warp Drive.