مبدأ الإبادة في فيزياء الكم

يُفترض أن الإبادة هي محو كامل لشيء ما، فعندما يصطدم إلكترون وبوزيترون الذي هو نظير الإلكترون من المادة المضادة فإنهما يهلكان ويختفيان؛ مما ينتج عنه شعاعيّ غاما في هذه العملية، ويبدو أن الجسيمات قد اختفت وانتقلت كل الطاقة إلى أشعة جاما.

مبدأ الإبادة

في فيزياء الجسيمات تعتبر الإبادة هي العملية التي تحدث عندما يصطدم جسيم دون ذري بجسيمه المضاد؛ لإنتاج جسيمات أخرى مثل اصطدام الإلكترون بالبوزيترون لإنتاج فوتونين، حيث يتم حفظ الطاقة الكلية والزخم للزوج الأولي في العملية وتوزيعها بين مجموعة من الجسيمات الأخرى في الحالة النهائية.

الجسيمات المضادة لها أرقام كم مضافة معاكسة تمامًا من الجسيمات، لذا فإن كل الأعداد الكمية لهذا الزوج الأصلي هي صفر، ومن ثم يمكن إنشاء أي مجموعة من الجسيمات يكون مجمع أعدادها الكمومية أيضًا صفرًا طالما يتم الالتزام بحفظ الطاقة والحفاظ على الزخم.

الإبادة في مخطط فاينمان

مخطط فاينمان يوضح الفناء المتبادل لزوج بوزيترون من الإلكترون المرتبط بالحالة إلى فوتونين، حيث تُعرف حالة الارتباط هذه باسم البوزيترونيوم، فأثناء الإبادة منخفضة الطاقة يفضل إنتاج الفوتون؛ لأن هذه الجسيمات ليس لها كتلة، إذ تنتج مصادمات الجسيمات عالية الطاقة عمليات إبادة، حيث يتم تكوين مجموعة متنوعة من الجسيمات الثقيلة الغريبة.

تستخدم كلمة إبادة بشكل غير رسمي للتفاعل بين جسيمين ليسا جسيمات مضادة متبادلة وليست مترافقة شحنة، فقد لا يتم جمع بعض الأرقام الكمومية إلى الصفر في الحالة الأولية، ولكنها تحتفظ بنفس الإجماليات في الحالة النهائية، مثال على ذلك هو إبادة إلكترون عالي الطاقة مضاد نيوترينو مع إلكترون لإنتاج بوزون دبليو.

الإنتاج الزوجي في فيزياء الكم

إنتاج الأزواج هو عكس الإبادة، في ظروف غامضة يمكن أن تظهر الجسيمات من العدم، حيث تتكون المادة من فوتون نشط  مثل أشعة جاما، ففي عملية إنتاج الزوج يتم امتصاص الفوتون ويظهر الجسيم والجسيم المضاد له مثل الإلكترون وزوج البوزيترون.

يتم الحفاظ على الطاقة وفقًا لقوانين الفيزياء، حيث يجب أن يكون الفوتون مساويًا أو أكبر من مجموع طاقات الجسيمين، ومع ذلك فمن الغريب أن يظهر جسيمان بشكل عشوائي، وهذا يحدث فقط في العالم الكمي، حيث لا يختفي شيئان في العالم المرئي بل يتم رؤيتهم وظهورهم بشكل عشوائي.

إبادة الجسيمات والجزيئات المضادة

هناك نظرية رياضية مفادها أن كل نوع من الجسيمات له جسيم مضاد مقابل له بنفس الكتلة تمامًا، ففي الواقع هي ليست مجرد نظرية بالنسبة لجميع الجسيمات المعروفة، حيث تمت ملاحظة الجسيم المضاد تجريبيًا لذلك لا يوجد هناك حاجة إلى إجراء نقاش حوله.

ومع ذلك فبالنسبة لبعض الجسيمات يكون الجسيم المضاد والجسيم متماثلين، فالجسيم المضاد للفوتون (جسيم الضوء) هو فوتون، وينطبق الشيء نفسه على جسيم (Z) وجسيم هيغز بافتراض وجود الأخير، ومن ناحية أخرى فإن الإلكترون الذي يحتوي على شحنة كهربائية سالبة له جسيم مضاد يسمى الإلكترون المضاد” أو البوزيترون والذي له شحنة كهربائية موجبة، حيث إن هذا صحيح بالنسبة لمعظم الجسيمات المعروفة، حيث يحتوي الميون على جسيم مضاد يسمى مضاد الميون، إذ يحتوي الكوارك العلوي على مضاد كوارك علوي، والجسيم المضاد لجسيم (W) موجب الشحنة هو جسيم (W) سالب الشحنة.

إذا تم وضع جسيمًا منفردً مع جسيمًا مضادًا معًا فإن كل خصائصهما تقريبًا تُلغى، على سبيل المثال الشحنة الكهربائية لميون فهو ثقيل للإلكترون زائد الشحنة الكهربائية لمضاد الميون يساوي صفرًا، إذ أن الأول سلبي والأخير موجب لكنهما متساويان في الحجم ولذا فإنهما يلغيان تمامًا.

فالأشياء الوحيدة التي لا تلغي هي طاقاتها، حيث سينتج أن الكتلة يمكن أن تظهر أو تختفي وهو أمر مهم لفيزياء الجسيمات، فالشيء الوحيد الذي سيبقى بالتأكيد هو الطاقة، حيث يتم الحفاظ على الطاقة فمهما بدأت ستنتهي بنفس المقدار.

الإبادة في كيفية إنتاج هيغز

في تصادم نوكليونات عند طاقات عالية جدًا، تميل الكواركات البحرية والغلوونات إلى السيطرة على معدل التفاعل، لذلك لا يحتاج أي من النكليون إلى أن يكون مضادًا للجسيم لفناء زوج كوارك أو اندماج اثنين من الغلوونات ليحدث، حيث تساهم أمثلة هذه العمليات في إنتاج بوزون هيغز الذي طال انتظاره، إذ يتم إنتاج هيجز بشكل ضعيف جدًا عن طريق إبادة الكواركات الخفيفة التي تسمى التكافؤ لكنها ثقيلة.

إنتاج بوزون واحد

إذا كان الجسيمان الأوليان أساسيان غير مركبين فقد يتحدان لإنتاج بوزون أولي واحد فقط مثل الفوتون أو غلوون أو بوزون هيغز، فإذا كانت الطاقة الكلية في إطار مركز الزخم تساوي الكتلة الباقية لبوزون حقيقي، وهو أمر مستحيل بالنسبة لبوزون عديم الكتلة فسيستمر هذا الجسيم المخلوق في الوجود حتى يتحلل وفقًا لعمره.

خلافًا لذلك تُفهم العملية على أنها الإنشاء الأولي لبوزون افتراضي، والذي يتحول على الفور إلى جسيم حقيقي موجب وهو زوج مضاد للجسيمات، وهذا ما يسمى عملية قناة (s)، ومثال على ذلك هو إبادة إلكترون ببوزيترون لإنتاج فوتون افتراضي، والذي يتحول إلى ميون ومضاد للميون، فإذا كانت الطاقة كبيرة بما يكفي يمكن أن يحل محل الفوتون.

تطبيقات على الإبادة

الإبادة في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني

عندما ينبعث البوزيترون من جهاز تتبع في الجسم، فإنه ينتقل أقل من ملليمتر قبل أن يصطدم بالإلكترون، ثم سيفنى البوزيترون والإلكترون وتصبح كتلتهما طاقة نقية على شكل شعاعين من أشعة جاما يتحركان في اتجاهين متعاكسين، حيث أن الإبادة لا تحدث مع الإلكترونات والبوزيترونات فقط، بل يتم تعريف الإبادة على أنه عندما يلتقي الجسيم بجسيمه المكافئ يتم تدميرهما وتحويل كتلتهما إلى طاقة كما هو الحال مع جميع الاصطدامات، حيث يتم الحفاظ على الكتلة والطاقة والزخم.

وعندما اجتاحت النسبية قانون الحفظ الشامل أزالت فكرة وجود أساس مادي متين وموثوق للكون، حيث أن وجهة النظر الحالية القائمة على تكافؤ الكتلة والطاقة الذي تنبأت به النسبية والإبادة الروتينية وخلق المادة التي تنبأت بها ميكانيكا الكم هي أكثر هشاشة، فمعظم الجسيمات المادية لا تعيش طويلا بما يكفي لتكون ذات فائدة لبناء العالم، حتى تلك التي تفعل ذلك يمكن إبادتها إذا اصطدمت بجزيئات نشطة أخرى أو إذا لامست جسيماتها المضادة.

يمكن وصف وجهة النظر الحالية على أنه بسبب بعض قوانين الحفظ يحدث عدد قليل جدًا من جسيمات الطبيعة عن طريق الصدفة لتكون مستقر، حتى أن هذه ليست غير قابلة للتدمير، ولكن لأن المكان الذي يعيش المرء يكون فيه تدفق الجسيمات المقذوفة منخفضًا جدًا.

التحلل العفوي وإبادة الجسيمات المضادة للجسيمات هي أحداث انحدار، حيث تكون الكتلة المجمعة لجزيئات المنتج دائمًا أقل من كتلة الجسيم أو الجسيمات الأولية ويتم تحويل الفرق إلى طاقة الحركة المنقولة إلى جسيمات المنتج، حيث يمكن تحفيز أحداث (Uphill) التي يتم فيها إنشاء كتلة جديدة عن طريق استخدام جسيمات مقذوفة عالية السرعة إما مؤثثة مجانًا في الإشعاع الكوني أو مؤثثة بتكلفة كبيرة بواسطة مسرعات من صنع الإنسان.