为什么物质和反物质会湮灭？

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地球上构成我们的物质是由原子组成的：核心是质子和中子，电子围绕原子运行，以各种方式结合形成我们周围的世界。对于物质的每一个基本粒子和复合粒子，都有其反物质对应物：质子对应反质子，中子对应反中子，电子对应正电子，等等。当物质和反物质碰撞和相互作用时，它们会湮灭，产生自然量子定律以及爱因斯坦最著名的公式 E = mc² 所允许的纯能量和粒子。

但物质和反物质相互作用时总是会湮灭吗？难道其他类型的互动不是可能的吗？这引起了订阅者的兴趣，他写道：

“什么物理原理规定物质和反物质相遇时必须湮灭？从逻辑上讲，当物质被创造出来时，反物质可以（但不一定）被创造出来以满足守恒定律。时间可逆性意味着电子和正电子可以转回为光子，但它们不能也形成电子-正电子原子吗？中子和反中子不能互相排斥吗？”

物质和反物质的湮灭似乎是不可避免的，但它真的100%发生吗？如果它们真的湮灭了，什么物理原理决定了这一点？这些都是有趣的问题，物理学确实提供了答案。让我们弄清楚一下。

当自由电子与原子核重新结合时，它们会级联降低能级，发射光子。为了在早期宇宙中形成稳定的中性原子，它们必须达到基态而不产生潜在的电离紫外光子：这是一个复杂的过程，意味着中性原子直到热大爆炸开始数十万年后才形成。

每当两个粒子彼此靠近时，它们就有可能（但不能保证）发生相互作用。相互作用的概率是使用所谓的横截面来确定的：一个粒子必须“撞击”另一个粒子的有效面积。我们知道，质子和中子等粒子具有一定的尺寸：半径略小于飞米（10^-15米），而电子被认为是点状的，最小半径应小于飞米的十分之一。阿米计（10 ^-19 米）：这个数字是通过深度非弹性散射实验得知的。

看起来，考虑到这些物体的大小，我们可以简单地通过假设它们是具有一定半径的球体来估计它们的横截面，并且它们的横截面将等于圆的面积：πr² 。如果我们以经典的方式考虑它们，这将是相当合理的：例如，作为台球。

但这假设粒子和反粒子的相互作用是简单而经典的：它们像台球一样相互“弹跳”，除非它们完全对齐并发生物理碰撞，否则它们不会相互作用。但这根本不是真的。

已有 100 多年历史的传统原子模型代表一个带正电的原子核，带负电的电子围绕该原子核运行。尽管这张图来自过时的玻尔模型，但我们只需考虑量子不确定性就可以得出更好的模型。

例如，考虑由自由质子和自由电子形成中性原子。质子的大小约为飞米，而电子则更小。但要形成原子，不需要电子与质子碰撞；只需将质子碰撞即可。电子足够接近质子（大约 10^-10 米）就足以发生形成束缚中性原子的量子过程。当质子和电子发生电磁相互作用时：

• 自发发射辐射量子 - 光子，
• 形成与质子（激发原子）的束缚态，
• 然后电子沿着原子内的各个能级级联，
• 在每个阶段发射一个光子，
• 直到它达到基态，成为稳定的中性氢原子。

换句话说，由于质子和电子这两个粒子之间存在束缚态，因此我们必须考虑这样一种可能性：它们可能形成这种束缚，而不是像正常散射过程中那样简单地相互“弹跳”以某种方式相互作用的状态：电磁 此外，由于这些粒子是量子的（而不是“经典”粒子，其行为总是像台球），我们不能简单地将它们视为具有特定横截面的球体。

该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。当一件事被更准确地了解时，另一件事本质上就不太可能被准确地了解。其他成对的共轭变量，包括沿两个垂直方向旋转的能量和时间，或角位置和角动量，也表现出相同的不确定性关系。

相反，我们必须认识到，这些粒子，无论它们相对于彼此运动的速度有多快或能量有多高，本质上都是量子粒子。这也适用于反粒子；我们谈论的是物质还是反物质并不重要。因为它们本质上是量子的，所以它们的位置无法精确确定，但具有固有的不确定性：每个粒子（或反粒子）的动量已知得越精确，这种不确定性就会增加。这是由于海森堡测不准原理的一个体现，该原理指出：

Δx Δp ≥ ℏ/2，其中 x 是位置，p 是动量，ℏ 是普朗克常数。

每当两个（或多个）量子的波函数之间存在重叠时，就有两种解决问题的方法。我们可以从理论角度来解决这个问题，使用量子场论来计算诸如横截面、振幅和获得各种最终状态的概率之类的东西，包括简单的前向散射（反弹）、过渡到束缚态（稳定或不稳定）之类的东西），或相互作用和/或湮灭形成各种产物。在物理学中，必须考虑未明确禁止的每个结果的概率，无论它有多小。

高能粒子可以与其他粒子碰撞，产生可以在探测器中看到的新粒子流。通过重建各自的能量、动量和其他属性，我们可以确定最初发生的碰撞以及结果发生的情况。

我们还可以从实验的角度来解决这个问题：只需直接测量这些量，包括前向散射、束缚态形成，以及在物质和反物质的情况下，湮灭产生各种衰变产物的可能性。与您的想法或预期相反，物质和反物质的湮灭并不总是 100% 发生。

以质子及其反物质对应物：反质子为例。在欧洲核子研究中心推出大型强子对撞机（质子与质子对撞）之前，它是世界上最强大的粒子加速器和对撞机的主要研究焦点：费米实验室的 Tevatron。当您以不同的速度/能量向对方发射质子和反质子时，结果可能会让您感到惊讶。实验已经证实，相互作用横截面并不像您所期望的那样由单个量表示，如果质子和反质子的行为就像台球一样。

相反，您会发现横截面取决于能量，并且以违反直觉的方式。在约 200 GeV 及以上（超过任何和所有标准模型粒子的静止能量的能量）等高能量下，质子-反质子横截面与质子-质子横截面相同，就好像一个是否存在并不重要粒子是物质，另一个是反物质或不是。

总质子-反质子截面与可比较的质子-质子截面相比，作为能量的函数。在高能量（约 200 GeV 或更高）下，这些横截面是相同的。但在较低能量下，质子和反质子的相反电荷以及它们形成束缚态的潜力占主导地位，并导致质子和反质子的横截面较大。

但在较低能量下，质子-反质子碰撞或相互作用的横截面比质子-质子高得多，因为在低动量下，质子和反质子有更多的时间重叠其波函数，使得至少其中一种成为可能质子内部的物质夸克（上夸克、上夸克和下夸克）可以与反质子内部的至少一个反夸克（反上夸克、反夸克和反夸克）相互作用。由于历史原因，粒子物理学家以称为谷仓的单位测量横截面积，就好像“你试图撞击谷仓的宽边”。

实际上，谷仓是一个（通常是核）部分的单位，对应于边长为 10 飞米（或 10^-14 米）的小正方形。10 毫巴，对应于上图中 y 轴上的数字之间的间距，对应于侧面的一个微小的平方飞米（10^-15 米）。在这些低能量和低动量下，质子-反质子相互作用比质子-质子相互作用更常见，这是有道理的。质子带有正电荷，因此两个质子将相互排斥。反质子带有负电荷，因此质子-反质子对会相互吸引。由于反质子与电子具有相同的电荷，你会认为质子和反质子之间有可能形成束缚态，

由质子和反质子组成的奇异质子原子图。虽然由质子和电子组成的氢原子的半径约为 1 埃，但质子原子的半径约为 2000 倍，因为质子（和反质子）的质量约为电子的 2000 倍，但具有相同的电性收费。

这实际上发生在自然界！它被称为质子或反质子氢，是一种奇特原子，质子和反质子通过电磁相互作用连接在一起。产生反质子（包括形成质子-反质子对）的高能粒子碰撞以及在磁阱中操纵质子和反质子都是产生质子的方法。在非常低的能量下，约~1 keV及以下（约质子静止能量的百万分之一），质子的形成成为可能，其平均寿命约为一微秒，结合能为-750 eV。

为什么质子的寿命只有约 1 微秒？

出于同样的原因，质子-反质子湮没截面在低能量下显着增加：因为这些粒子不能像台球一样对待！同样，这个质子和这个反质子表现为波函数，并且在它们彼此之间的微小距离（仅标准氢原子大小的 1/2000）处，它们的波函数基本上重叠。约 1 微秒的平均寿命对应于质子在其内部的质子和反质子重叠并通过湮灭衰变之前平均需要多长时间：要么变成两个光子，要么变成包含夸克和粒子的射流（强子，最常见的是介子）反夸克。

质子与反质子湮灭横截面的实验数据（点）和理论预测（线）。请注意，在非常低的能量下，横截面急剧增加，这使得质子能够在约 1 keV 以下形成。

值得注意的是，实验数据和理论预测在质子-反质子湮没截面上都一致，因为这证实了即使是这些复合粒子的量子场论也与宇宙实际提供给我们的一致。我们可以继续讨论另一种类型的物质和反物质：两点电子。尽管你可以提供一些理由来解释为什么质子和反质子（每个尺寸约为飞米）的电子和正电子湮没截面的测量单位为数十或数千毫巴，而电子和正电子的物理尺寸必须比质子或反质子小约 10,000 倍，这显然是不可能的。

确实如此：与质子-反质子截面相比，电子-正电子截面被显着抑制，但仅抑制了约 1,000,000 倍左右。电子和正电子实际上在很多方面与质子和反质子非常相似。

• 在低能量下，它们比在中等能量下具有更高的相互作用截面。
• 它们可以形成束缚态：电子-正电子束缚态被称为正电子，与质子和反质子的质子相反，平均寿命约为 1 微秒。
• 在高能量下，它们仍然相互作用，但它们的横截面与电子-电子相互作用的横截面没有什么不同。

然而，当电子和正电子湮灭时，它们的能量 100% 都用于产生新粒子，因为它们是点粒子，而不是由夸克（或反夸克）和胶子组成的复合粒子。

电子-正电子截面作为能量的函数。请注意，一个谷仓的面积为 10^-24 cm²，因此我们谈论的是电子和正电子相互作用和/或湮灭时的微谷仓或纳米谷仓，而不是我们通常谈论的质子和反质子的毫谷仓。

当人们谈论建造未来的对撞机时，最流行的想法之一是创建轻子对撞机。事实上，通常会考虑三个主要项目：

• 线性正负电子对撞机，
• 环形正负电子对撞机，
• 以及μ子-反μ子环对撞机。

就建造成本而言，线性对撞机是最便宜的，但缺点是每束电子和正电子只有一次碰撞的机会：在它们相遇的碰撞点。由于电子-正电子相互作用的内部横截面较小，因此大多数都错过了。环形对撞机虽然建造成本更高，但能够使轻子沿一个方向循环，反轻子沿相反方向循环，使它们能够在光束中反复相互传递，直到它们实际上在您构建探测器的特定点处发生碰撞。 。

电子和正电子并不总是发生碰撞，这一事实是我们必须处理这个问题的原因。在加速器物理学中，您需要大量统计数据和大量事件来积累新粒子及其特性的证据。μ子和反μ子提供更高的能量，但由于它们的不稳定性和约2.2微秒的寿命（以及它们的产生、准直和加速的更大复杂性），它们可以提供比类似的电子对撞机低得多的光度或碰撞总数。 。

费米实验室（现已废弃）全尺寸μ子-反μ子对撞机的早期设计计划，费米实验室是仅次于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的世界第二强大粒子加速器的来源。μ子可以达到与质子相当的能量，但具有纯粹的碰撞信号，并且所有能量都集中在一个点，就像电子一样。如果能够克服寿命短和光度低的问题，那么对于下一代对撞机来说，这确实是两全其美。

没有任何物理原理规定“当你有物质和反物质时，它们必须湮灭”，因为它们并不总是如此。所有种类的物质粒子（以及所有种类的反物质反粒子）与其反伙伴（或伙伴）都有有限的相互作用截面，这取决于能量。有时，只是存在弹性散射，就好像这些颗粒是台球一样。有时，在足够低的能量下，它们可以形成束缚态，例如质子（对于质子-反质子对）或正电子（对于电子-正电子对），它们可以在粒子世界中存在相对较长的时间：长达一微秒或者 。

但是，无论是在非常低的能量还是非常高的能量下，都存在巨大的横截面（或相互作用的概率），这会导致物质和反物质粒子相互湮灭，碰撞能量加上每个湮灭粒子的剩余能量决定了如何通过爱因斯坦方程 E = mc²，大量能量可用于创造新粒子（或粒子-反粒子对）。尽管我们认为质子（和反质子）具有确定的尺寸，而电子（和正电子）是点状粒子，但它们的实际横截面取决于能量和动量，并要求我们将这些粒子视为量子实体：波函数分布在空间，它们重叠并有机会通过量子隧道到达另一个状态。

湮没率（或横截面）如此之大的原因是由于粒子的量子性质和海森堡不确定性原理，其中位置的不确定性至关重要。这进一步证明我们对宇宙的古老、经典的思考方式已经过时，并强调了量子过程在几乎所有可以想象的亚原子过程中的重要性！