Strona głównaPytania → Czym jest pozyton?

Czym jest pozyton?

Pytanie

Pyta Kamil

Chciałem poprosić o wyjaśnienie czym jest pozyton. W popularnych źródłach natykam się zwykle na dwie definicje. Zgodnie z pierwszą, pozyton jest elektronem poruszającym się w czasie wstecz, zaś według drugiej – luką w nieskończonym morzu cząstek o energii negatywnej. Czy obie te definicje wykluczają się wzajemnie, czy też są to tylko formułowane z różnych perspektyw, ale wzajemnie uzupełniające i niesprzeczne sposoby opisy cech tej cząstki? Spotkałem się również z intrygującą hipotezą opartą na koncepcji pozytonu, jako obiektu cofającego się w czasie, a głoszącą (jeśli dobrze rozumiem), iż wszystkie obserwowane we Wszechświecie elektrony to w istocie jedna i ta sama cząstka trwająca w bezustannym cyklu anihilacji samej ze sobą (jako poruszającego się w czasie w przód elektronu oraz w tył – pozytonu) i ponownej kreacji tych par. Jeśli to prawda, to czy nie powinniśmy we Wszechświecie obserwować identycznej liczby elektronów i pozytonów, skoro tak na prawdę chodzi o tę samą cząstkę, raz obserwowaną jako elektron, a raz pozyton?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Pozytonem $e^+$ nazywamy cząstkę elementarną różniącą się od elektronu $e^-$ wyłącznie znakiem ładunku elektrycznego. To jest definicja nazwy „pozyton”, a nie samego pozytonu, gdyż realnie istniejących obiektów materialnych nie określamy na mocy definicji, lecz poprzez eksperymentalne badanie ich własności.

Oddziaływania elektronów, pozytonów i fotonów opisywane są przez teorię nazywaną elektrodynamiką kwantową. Zwykle formułujemy ją tak, że elektron nazywamy „cząstką”, a pozyton „antycząstką”. Zupełnie równoważne jest jednak takie sformułowanie teorii, w którym pozyton nazwiemy „cząstką”, a elektron „antycząstką”. Zarówno swobodny elektron, jak i swobodny pozyton mają dodatnie energie.

Elektron i pozyton mogą anihilować, tj. wziąć udział w reakcji, której produktem końcowym są dwa fotony. Reakcję odwrotną ($\gamma\gamma \to e^+ e^-$) nazywamy kreacją pary elektron-pozyton.

W wielu eksperymentach akceleratorowych zderzamy ze sobą wiązki elektronów i pozytonów. Przygotowanie takiej wiązki wymaga jej „schłodzenia”. Przy okazji weryfikujemy, że własności termodynamiczne wiązki pozytonów nie odbiegają od własności termodynamicznych wiązki elektronów. W szczególności entropia układu izolowanego nie maleje w czasie, natomiast może rosnąć. Na podstawie drugiej zasady termodynamiki stwierdzamy więc, że ani elektrony ani pozytony nie poruszają się „do tyłu w czasie”.

Jeśli w układzie doświadczalnym mamy same elektrony lub same pozytony (czyli niemożliwa jest anihilacja), a dostępne energie nie pozwalają na kreację par, to opis przy pomocy elektrodynamiki kwantowej można uprościć do opisu przy pomocy równania Diraca. Równanie to zostało zapostulowane przez Diraca w roku 1928, kilkanaście lat przed ugruntowaniem się podstaw teoretycznych elektrodynamiki kwantowej. W ciągu tych kilkunastu lat interpretacja równania Diraca była niejasna, co doprowadziło do powstania wielu hipotez, które nie mieszczą się we współcześnie rozumianej strukturze elektrodynamiki kwantowej, ale które funkcjonują dotąd jako anachronizmy w niektórych podręcznikach, w literaturze popularnej, a także w Wikipedii.

Jednym z tych anachronizmów jest (pochodząca od samego Diraca) interpretacja pozytonu jako „dziury” w morzu stanów o ujemnej energii. Innym jest interpretacja antycząstek jako cząstek poruszających się „do tyłu w czasie”. Jak wspomniałem powyżej, elektrodynamikę kwantową można sformułować w sposób niesprzeczny z doświadczeniem traktując pozytony jako podstawowe cząstki, a elektrony – jako ich antycząstki. Wtedy opis matematyczny elektronu (a nie pozytonu) miałby wszystkie te cechy, które zasugerowały kiedyś mylącą interpretację o „poruszaniu się do tyłu w czasie”.

Podążając za taką (mylącą) interpretacją, można by wyobrażać sobie proces anihilacji pary elektron-pozyton jako wywołaną przez dwa fotony zmianę kierunku poruszania się elektronu w czasie. Wspomniane powyżej własności termodynamiczne wiązki pozytonów wskazują, że nie jest to właściwe wyobrażenie.

Tym bardziej nie powinniśmy wyobrażać sobie, że wszystkie elektrony i pozytony we Wszechświecie są przejawem istnienia pojedynczej cząstki, która na zmianę porusza się do przodu i do tyłu w czasie, nieraz po miliardy lat w każdą stronę – tak rozumiem „bezustanny cykl anihilacji” w pytaniu. Wtedy istotnie bardzo trudno byłoby wyjaśnić m.in. obserwowaną asymetrię między ilością elektronów i pozytonów we Wszechświecie. I nie byłby to jedyny problem…