ضديد البروتون (Anti-proton) ()

أستطاع ديراك Dirac أن يتوقع وجود جسيم ضديد للإلكترون وهو البوزيترون وذلك من خلال معطيات نظرية بحتة, وقد تم اكتشاف البوزيترون بعد ذلك عام 1932 كما بينا. وباستخدام نفس المعطيات النظرية في حالة البروتون (عزمه يساوي 1/2 كما للإلكترون) فقد تم توقع وجود ضديد للبروتون. وقد اكتشف هذا الجسيم عام 1955 في الأشعة الكونية وباستخدام المستحلب النووي. كما تم اكتشاف هذا الجسيم في نفس العام وذلك في المعمل وباستخدام البيفاترون العامل في جامعة كاليفورنيا وقبل استعراض التجربة، دعنا تحسب الطاقة اللازمة لإنتاج ضديد البروتون. يمكن أن ينتج ضديد البروتون من تفاعل كما يلي:

(1)      ..............

لاحظ هنا أن زوج النيوكليونات الأخير هو زوج جديد، وبمعنى أنه لا بد أن ينتج البروتون وضديده متلازمين كما وأن شحنة ضديد البروتون هي شحنة سالبة (^-e) قد يبدو للوهلة الأولى أنه لكي يتم التفاعل فلا بد أن تكون طاقة البروتون الساقط يجب أن تساوي ضعف طاقة السكون (أي 938 × 2 = 1876 م.أ.ف.) ولكن هذا لي صحيحاً، وذلك لأن الزخم لن يكون محفوظاً وذلك لأن النيوكليونات الأصلية ستكون في حالة حركة أما النيوكليونات الناتجة فسوف تكون ساكنة. لنفترض الآن أن الزخم الابتدائي (P_i) قد توزع بالتساوي على البروتونات الأربعة الناتجة، ومن ثم فإن زخم كل منها هو p_f يساوي ربع P_i أي أن:

(2)      ................ 

دعنا الآن نحسب أقل طاقة حركة (K_i) يمكن أن يحدث عندها التفاعل. حيث نجد أنه علينا أن نقذف البروتون بطاقة حركة (K_i) تكفي لخلق الزوج الجديد ولتزويد المنظومة بعد التصادم بطاقة حركة تساوي (K_f4) حيث (K_f) هي طاقة حركة كل جسيم، أي أن:

(3) ..................

حيث m₀ C² طاقة السكون للزوج.

وباستخدام العلاقة النسبية العامة للطاقة نجد أن:

ومن ثم فإنه للمنظومة الابتدائية نجد أن :

وللمنظومة النهائية نجد أن :

ويحل هاتين المعادلتين وباستخدام معادلة (2) يمكن استنتاج أن:

ويحل هذه المعادلة للحصول على (K_f) نجد أن:

(4)  ...............

وبالتعويض في معادلة (3) نجد أن:

(4)  ..............

وهي أقل طاقة يمكن أن يقذف بها البروتون لكي يتم التفاعل (1) يبين الشكل (1) الترتيبات الهندسية لإنتاج ضديد البروتون والكشف عنه يسقط شعاع من البروتونات طاقته (6) ج.أ.ف. من البيفاترون (بجامعة كاليفورنيا) على هدف هيدروجين لينتج التفاعل (1) . كما وتنطلق العديد من الجسيمات الأخرى نتيجة للتصادم

بين البروتونين (حوالي 100,000 جسيم من ^-e^-, π^-, K^-, μ لكل زوج من البروتونات وضديداتها). ويستخدم

الشكل (1)

المغناطيسان M₂, M_l (أنظر الشكل) لاختيار شعاع بطاقة وزخم معينين. ويبلغ زخم () 1.19 ج. أ. ف. ومن ثم فإن هذه الجسيمات تنطلق بسرعة تساوي C 0.78. يوضع كاشفا الوميض S₂, S₁ على مسافة قدرها 12 متراً من بعضهما البعض ومن ثم فإن هذا يكافئ فترة زمنية قدرها 51 نانوثانية بين الجسيمين الساقطين على S₂, S₁ ومن ثم فإنه للحصول على تطابق زمني فإن علينا أن نؤخر النبضة القادمة من S₁ بمقدار يساوي 51 نانوثانية. ولتقليل إشعاع الوسط المحيط والتخلص من التطابق الزمني العشوائي فإننا تستخدم كاشفين من كاشفات سيرنكوف C₂ ,C₁ . ومن ثم يعمل الكاشف C₂ ككاشف لا تطابق Anticoincidence بين كاشفي S₂ ،S₁ اللذان نحصل منها على نبضة تطابق زمني. وبالتالي للحصول على نبضات ناتجة عن فإن علينا أن نسجل نبضات تبين تطابقاً زمنياً بين C₂ ،S₂ ، S₁ في نفس الوقت الذي لا يحدث فيه تطابق مع C₁.

كما وتم الكشف عن تلاشي Annihilation ضديد البروتون عند التقائه مع البررتون وذلك بدراسة مسار بررتونات ساقطة بطاقة قدرها 6.2 ج.أ. ف. على مستحلب نووي. إذ ينتج عن التصادم مع المستحلب (البروتون)، تكون () وعندما يلقي هذا مع (P) في المستحلب يحدث التلاشي وفق العلاقة:

(5)    ..................

ومن ثم يظهر مسار البايونات الناتج عن التلاشي في المستحلب على شكل نجمة. لقد تم الكشف عن 20 مساراً لضديدات البروتونات.