反粒子

两年后工作Goudsmit和Uhlenbeck，英国理论家P.A.M.狄拉克为的概念提供了良好的理论背景电子自旋．为了描述一个的行为电子在一个电磁场狄拉克介绍了这位德国出生的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论成量子力学．狄拉克的相对论理论表明，电子必须具有自旋和磁矩，但这也使得看起来很奇怪预测．描述一个电子所允许的能量的基本方程有两个解，一个是正的，一个是负的。积极的解决方案显然描述了普通电子。负解更像是一个谜;它似乎描述的是带正电荷的电子而不是带负电荷的电子。

这个谜团在1932年被解开卡尔•安德森一位美国物理学家，发现了一种叫做正电子．正电子非常像电子:它们有相同的质量和相同的自旋，但它们的方向相反电荷．正电子是狄拉克理论所预言的粒子，它们是第一批所谓的粒子反粒子等待被发现。事实上，狄拉克的理论适用于任何具有自旋的亚原子粒子¹/₂；因此，一切自旋¹/₂粒子应该有相应的反粒子。然而，物质不能同时由粒子和反粒子构成。当一个粒子遇到它的适当的反粒子，两者消失在一个相互毁灭的行为被称为毁灭．原子能存在只是因为有过剩电子，质子,中子在日常世界中，没有对应的正电子、反质子和反中子。

然而，正电子确实是自然产生的，这就是安德森发现它们存在的原因。形式的高能亚原子粒子宇宙射线不断地下雨地球的大气从外空间与原子核碰撞，产生大量粒子，向地面倾泻而下。在这些阵雨中，入射宇宙射线的巨大能量被转化为物质，这与爱因斯坦的狭义相对论是一致的E＝米c²,在那里E是能源，米是质量,c是光速．在产生的粒子中有成对的电子和正电子。正电子只存活了几分之一秒直到它们足够接近电子湮灭．然后，每对电子-正电子对的总质量以的形式转换为能量伽马射线光子。

使用粒子加速器在美国，物理学家可以模拟宇宙射线的作用，制造高能碰撞。1955年，由这位意大利出生的科学家领导的团队埃米利奥·塞格雷而美国人欧文张伯伦发现了宇宙存在的第一个证据反质子在高能质子碰撞中产生质子加速器这个加速器现在位于加州劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)。不久之后，另一个研究同一加速器的团队发现了反中性子．

自20世纪60年代以来，物理学家已经发现质子和中子由自旋夸克组成¹/₂反质子和反中子由反夸克组成。中微子也有自旋¹/₂因此有相应的反粒子称为反中微子。事实上，这是一个反中微子，而不是中微子，当一个中子变化的β衰变成一个质子．这反映了经验关于夸克和轻子的产生和衰变的定律:在任何相互作用中，夸克和轻子的总数似乎总是保持不变。因此，出现了轻子中子衰变中的电子必须由同时出现的反轻子来平衡，在这种情况下就是反中微子。

除了我们熟悉的质子、中子和电子等粒子外，研究还慢慢地揭示了200多种亚原子粒子的存在。这些“额外的”粒子不会出现在低能中环境日常生活经验的;它们只有在宇宙射线或粒子加速器中发现的更高能量时才会出现。此外，它们在只有几分之一秒的短暂生命期后，会立即衰变为我们更熟悉的粒子。这些额外粒子的种类和行为最初让科学家们感到困惑，但后来人们开始用夸克和轻子来理解它们。事实上，只需要6个夸克、6个轻子和它们对应的反粒子，就可以解释所有亚原子粒子的种类和行为，包括那些形成正常原子物质的亚原子粒子。