การสร้างสสาร

แม้จะจำกัดการอภิปรายไว้เฉพาะในสาขาฟิสิกส์นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่มีคำจำกัดความที่แน่ชัดว่าสสารคืออะไร ในฟิสิกส์อนุภาค ที่เรารู้จักในปัจจุบัน ซึ่งสรุปได้ด้วยแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคพื้นฐานและปฏิสัมพันธ์นั้น เราสามารถแยกแยะอนุภาคของสสารและอนุภาคของปฏิสสารได้ ในความหมายสัมบูรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งทำได้ง่ายสำหรับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเช่นอิเล็กตรอนโปรตอนหรือควาร์กในขณะที่การแยกแยะจะยากขึ้นในกรณีของนิวตริโนซึ่งเป็นอนุภาคพื้นฐานที่ไม่มีประจุไฟฟ้า ในแบบจำลองมาตรฐานนั้น ไม่สามารถสร้างปริมาณสุทธิของอนุภาคสสารได้ หรือกล่าวให้แม่นยำยิ่งขึ้นคือ ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงจำนวนสุทธิของเลปตอนหรือควาร์กในปฏิกิริยารบกวน ใดๆ ระหว่างอนุภาคได้ ข้อสังเกตนี้สอดคล้องกับการสังเกตการณ์ที่มีอยู่ทั้งหมด

อย่างไรก็ตาม กระบวนการที่คล้ายคลึงกันนี้ไม่ถือว่าเป็นไปไม่ได้ และคาดว่าจะเกิดขึ้นในแบบจำลองอื่นๆ ของอนุภาคพื้นฐานที่ขยายแบบจำลองมาตรฐาน กระบวนการเหล่านี้จำเป็นในทฤษฎีเชิงคาดการณ์ที่มุ่งอธิบายความเกินของสสารเหนือปฏิสสารในจักรวาลเช่นเลปโตเจเนซิสและแบริโอเจเนซิส กระบวนการ เหล่านี้อาจปรากฏให้เห็นในห้องปฏิบัติการได้ เช่นการสลายตัวของโปรตอนหรือการสร้างอิเล็กตรอนในการสลายตัวแบบดับเบิลเบตาไร้นิ วตริโน กรณีหลังนี้เกิดขึ้นหากนิวตริโนเป็นอนุภาคมาโจรานาซึ่งเป็นทั้งสสารและปฏิสสารในเวลาเดียวกัน ตามคำจำกัดความที่กล่าวไว้ข้างต้น^{[ 1 ]}

ในความหมายที่กว้างขึ้น เราสามารถใช้คำว่าสสารเพื่ออ้างถึงเฟอร์มิออน ได้ ในความหมายนี้ อนุภาคสสารและปฏิสสาร (เช่น อิเล็กตรอนและโพซิตรอน ) จะถูกระบุไว้ล่วงหน้า กระบวนการผกผันกับการทำลายล้างของอนุภาคสามารถเรียกว่าการสร้างสสารกล่าวคือ เรากำลังพิจารณากระบวนการที่เกิดขึ้นภายใต้การย้อนเวลาของกระบวนการทำลายล้าง กระบวนการนี้ยังเป็นที่รู้จักกันในชื่อการผลิตคู่และสามารถอธิบายได้ว่าเป็นการแปลงอนุภาคแสง (เช่น โฟตอน) เป็นอนุภาคที่มีมวลหนึ่ง ตัวหรือมากกว่า ^{[ 2 ] : 246} กรณีที่พบได้บ่อยที่สุดและมีการศึกษาอย่างดีคือกรณีที่โฟตอนสองตัวแปลงเป็นคู่ อิเล็กตรอน - โพซิตรอน

เนื่องจาก กฎการอนุรักษ์ โมเมนตัมการสร้างคู่ของเฟอร์มิออน (อนุภาคสสาร) จากโฟตอนเพียงตัวเดียวจึงไม่สามารถเกิดขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม กฎเหล่านี้อนุญาตให้เกิดการสร้างสสารได้เมื่อมีอนุภาคอื่น (โบซอนอีกตัว หรือแม้แต่เฟอร์มิออน) ที่สามารถแบ่งปันโมเมนตัมของโฟตอนหลักได้ ดังนั้น สสารจึงสามารถเกิดขึ้นได้จากโฟตอนสองตัว

กฎการอนุรักษ์พลังงาน กำหนด พลังงานโฟตอนขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการสร้างคู่เฟอร์มิออน: พลังงานเกณฑ์ นี้ ต้องมากกว่าพลังงานนิ่ง รวม ของเฟอร์มิออนที่สร้างขึ้น ในการสร้างคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน พลังงานรวมของโฟตอนในกรอบอ้างอิงนิ่งต้องมีอย่างน้อย 2 m _e c ² = 2 × 0.511  MeV =1.022 MeV ( โดย _ที่meคือมวลของอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และcคือความเร็วแสงในสุญญากาศ) เป็นค่าพลังงานที่สอดคล้องกับ โฟตอน รังสีแกมมา อ่อน การสร้างคู่ที่มีมวลมากกว่ามาก เช่นโปรตอนและแอนติโปรตอนต้องใช้โฟตอนที่มีพลังงานมากกว่านี้1.88 GeV (โฟตอนรังสีแกมมาพลังงานสูง)

การคำนวณอัตราการผลิตคู่ e ⁺ –e ⁻ในการชนกันของโฟตอนครั้งแรกที่ตีพิมพ์เผยแพร่นั้นทำโดยLev Landauในปี พ.ศ. 2477 ^{[ 3 ]}มีการทำนายว่ากระบวนการสร้างคู่ e ⁺ –e ⁻ (ผ่านการชนกันของโฟตอน) จะมีบทบาทสำคัญในการชนกันของ อนุภาคประจุ ที่มีความเร็วสูงมากเนื่องจากโฟตอนเหล่านั้นถูกแผ่รังสีออกมาเป็นกรวยแคบๆ ตามทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคเดิม ทำให้ฟลักซ์ของโฟตอนเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ใน เครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงเหตุการณ์การสร้างสสารได้ก่อให้เกิดอนุภาคหนักแปลกใหม่หลากหลายชนิดที่ตกออกมาจากลำโฟตอนที่ชนกัน (ดูฟิสิกส์สองโฟตอน ) ปัจจุบัน ฟิสิกส์สองโฟตอนศึกษาการสร้างคู่เฟอร์มิออนต่างๆ ทั้งในเชิงทฤษฎีและเชิงทดลอง (โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคฝักบัวอากาศไอโซโทปรังสีฯลฯ)

เป็นไปได้ที่จะสร้างอนุภาคพื้นฐานทั้งหมดในแบบจำลองมาตรฐานรวมถึงควาร์ก เลปตอน และโบซอน โดยใช้โฟตอนที่มีพลังงานต่างกันเหนือเกณฑ์ขั้นต่ำบางค่า ไม่ว่าจะโดยตรง (โดยการสร้างคู่) หรือโดยการสลายตัวของอนุภาคตัวกลาง (เช่น โบซอน W ⁻สลายตัวเพื่อสร้างอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนอิเล็กตรอน)

ดังแสดงข้างต้น การที่จะสร้างสสารแบริโอนิก ธรรมดา จากก๊าซโฟตอนก๊าซนี้ไม่เพียงแต่ต้องมีความหนาแน่นของโฟตอน สูงมากเท่านั้น แต่ยังต้องร้อนมากด้วย กล่าวคือ พลังงาน ( อุณหภูมิ ) ของโฟตอนต้องสูงกว่าพลังงานมวลนิ่งของอนุภาคคู่สสารที่กำหนดอย่างเห็นได้ชัด อุณหภูมิวิกฤตสำหรับการสร้างอิเล็กตรอนอยู่ที่ประมาณ^10¹⁰  K , ^10¹³  K สำหรับโปรตอนและนิวตรอนเป็นต้น ตาม ทฤษฎี บิ๊กแบงในจักรวาล ยุคแรก โฟตอนที่ไม่มีมวลและเฟอร์มิออนที่มีมวลจะเปลี่ยนสถานะไปมาได้อย่างอิสระ เมื่อก๊าซโฟตอนขยายตัวและเย็นลง เฟอร์มิออนบางส่วนจะเหลืออยู่ (ในปริมาณน้อยมาก ~10⁻¹⁰ ⁾เนื่องจากโฟตอนพลังงานต่ำไม่สามารถแยกพวกมันออกจากกันได้อีกต่อไป เฟอร์มิออนที่เหลือเหล่านั้นจะกลายเป็นสสารที่มีอยู่ในจักรวาลในปัจจุบัน

• การทำลายล้าง
• พลังงานที่มีอยู่
• การผลิตคู่
• ขีดจำกัดชวิงเกอร์