انتاج بروتون الضد

لقد تم توليد بروتون الضد والكشف عنه باستخدام معجل البيفاترون في جامعة كاليفورنيا في بيركلي عام 1955. وقبل هذا التاريخ ومن خلال دراسة دقيقة لبعض تفاعلات الاشعة الكونية تم الحصول على أدلة قوية في وجود بروتون الضد.

ولكن تجربة البيفاترون تعد مع ذلك أكثر اقناعا لتوليد هذا الجسيم. وسنوضح في نهاية هذا البند كيفية استخدام محاور الاسناد في النظرية النسبية الخاصة لحساب طاقة العتبة اللازمة لإنتاج هذا الجسيم.

ان نتائج شامبرلن وجماعته قد دلت على ان هناك جسيما سالبا كتلته تساوي كتلة البروتون يتواجد ضمن حوالي 40000 ميزون نوع ^-π تم تسجيله. وبعد اجراء قياسات تقريبية لكتلة الجسيم تبين وبصورة مقنعة ان كتلة هذا الجسيم السالب الذي تم اكتشافه قريبة جدا من كتلة البروتون. ان الجسيم الوحيد الذي كان معروفا سابقا وله هذه المواصفات هو ايون الهيدروجين السالب ولكن هذا الاحتمال ثبت انه ليس واردا في مثل هذه الحالات ذلك لأن احتمال اقتناص البروتون للإلكترون يكون ضعيفا بهذه السرعة وان بقاء الالكترون معه خلال مروره بجميع العادات يكون صغيرا جداً. لقد قام شامبرلن بقياس دالة تهيج الجسيم الجديد كاختيار أخير اي قياس عدد الجسيمات المتولدة خلال فترة زمنية بدلالة طاقة البيفاترون. ومن نتائج القياسات وجد أن دالة التهيج تقترب من الصفر عند حوالي 4.3GeV كما هو متوقع. ومن هذا نستنتج ان هذه الدالة يجب ان تكون مرتبطة ببروتون الضد. أما عملية الافناء التي لوحظت لبروتون الضد فهي حسب التفاعل الاتي :

ويتم انحلال البايونات بعد ذلك في عدة خطوات بحيث تكون النتيجة النهائية اشعة جاما والكترونات وبوزيترونات وهذه تتحول بالتالي خلال المادة الى طاقة حرارية وكيميائية.

سبق أن أوضحنا ان بروتون الضد لا يمكن انتاجه ما لم يتولد معه بروتون اضافي بخصائصه الاعتيادية. من الممكن انتاج بروتون – بروتون الضد بواسطة التصادم بين بروتونين حسب التفاعل الاتي :

اذ ان  بروتون الضد و P₃ البروتون الاضافي الاعتيادي.

الشكل (1.1) : (a) بروتونات يتحركان باتجاهين متعاكسين. الزخم الكلي قبل التفاعل يساوي صفرا. (b) اربعة جسيمات في حالة سكون بعد عملية التفاعل مع بقاء الزخم الكلي محفوظا.

ان الطريقة لإنتاج هذا النوع من التفاعل مشابهة لتلك المتخذة في انتاج البايون أي في الحالة التي تكون فيها جميع الجسيمات في حالة سكون بعد التفاعل في محاور اسناد معينة. هذه المحاور هي محاور مركز الكتلة. الشكل (1.1) يبين عملية التصادم في محور الاسناد sʹ حيث يكون الزخم الكلي مساويا صفرا، ان الطاقة الكلية في هذا المحور ينبغي ان تكون مساوية الى او اكبر من طاقة السكون للنيوكلونات الاربعة. اذن عند طاقة العتبة يحصل ان :

واذا فرضنا مرة اخرى ان P₂ هو البروتون الهدف في حالة سكون في محور الاسناد s فان السرعة اللازمة للبروتون الساقط p₁ في محور الاسناد نفسه تساوي : [لاحظ الشكل (1.2)]

الشكل (1.2) : بروتونات احدهما ساكن هو الهدف والاخر يتحرك نحوه في s.

اذن البروتون المصطدم P₁ يجب ان تكون طاقته الكلية مساوية الى ₁ε حيث ان :

وطاقته الحركية T₁ مساوية الى :

اذن تكون الطاقة الحركية للبروتون الساقط مساوية الى :