Совокупность элем. частиц, имеющих те же значения масс и прочих физ. хар-к, что и их «двойники» - ч-цы, но отличающихся от них знаком нек-рых хар-к вз-ствий (напр., электрич. заряда, магн. момента). Название «ч-ца» и «А.» в известной мере условны: можно было бы называть антиэлектрон (положительно заряж. эл-н) ч-цей, а эл-н - А. Однако атомы в-ва в наблюдаемой части Вселенной содержат эл-ны с отрицат. зарядом, а протоны - с положительным. Поэтому для известных к нач. 20-х гг. 20 в. элем. ч-ц - эл-на и протона (и позднее нейтрона) было принято название «частица».
Вывод о существовании А. впервые был сделан в 1931 англ. физиком П. Дираком. Он вывел релятив. квант. ур-ние для эл-на (Дирака уравнение), к-рое оказалось симметричным относительно знака электрич. заряда: наряду с отрицательно заряж. эл-ном оно описывало положительно заряж. ч-цу той же массы - антиэлектрон. Согласно теории Дирака, столкновение ч-цы и А. должно приводить к их аннигиляции - исчезновению этой пары, в результате чего рождаются две или более других ч-ц, напр. фотоны.
В 1932 антиэлектроны были экспериментально обнаружены амер. физиком К. Андерсоном. Он фотографировал ливни, образованные космическими лучами в камере Вильсона, помещённой в магн. поле. Заряж. ч-ца движется в магн. поле по дуге окружности, причём ч-цы с зарядами разных знаков отклоняются полем в противоположные стороны. Наряду с хорошо известными тогда следами быстрых эл-нов Андерсон обнаружил на фотографиях совершенно такие же по внеш. виду следы положительно заряж. ч-ц той же массы. Эти ч-цы были названы позитронами.Открытие позитрона явилось блестящим подтверждением теории Дирака. С этого времени начались поиски других А.
В 1936 также в косм. лучах были обнаружены отрицат. и положит. мюоны (m- и m+), являющиеся ч-цей и А. по отношению друг к другу. В 1947 было установлено, что мюоны косм. лучей возникают в результате распада несколько более тяжёлых ч-ц - пи-мезонов (p-, p+). В 1955 в опытах на ускорителе были зарегистрированы первые антипротоны. Физ. процессом, в результате к-рого образовались антипротоны, было рождение пары протон - антипротон. Несколько позже были открыты антинейтроны. К 1981 экспериментально обнаружены А. практически всех известных элем. ч-ц.
Общие принципы квантовой теории поля позволяют сделать ряд глубоких выводов о св-вах ч-ц и А.: масса, спин, изотопический спин, время жизни ч-цы и её А. должны быть одинаковыми (в частности, стабильным ч-цам отвечают стабильные А.); одинаковыми по величине, но противоположными по знаку должны быть не только электрич. заряды (и магн. моменты) ч-цы и А., но и все остальные квант. числа, к-рые приписываются ч-цам для описания закономерностей их вз-ствий: барионный заряд, лептонный заряд, странность, «очарование» и др. Ч-ца, у к-рой все хар-ки, отличающие её от А., равны нулю, наз. истинно нейтральной; ч-ца и А. таких ч-ц тождественны. К ним относятся, напр., фотон, p0- и h-мезоны, J/y- и Y-частицы.
До 1956 считалось, что имеется полная симметрия между ч-цами и А. Это означает, что если возможен к.-л. процесс между ч-цами, то должен существовать точно такой же процесс и между А. В 1956 было обнаружено, что такая симметрия имеется только в сильном и эл.-магн. вз-ствии. В слабом вз-ствии было открыто нарушение симметрии частица-А. (см. ЗАРЯДОВОЕ СОПРЯЖЕНИЕ). Из А. в принципе может быть построено антивещество точно таким же образом, как в-во из ч-ц. Однако возможность аннигиляции при встрече с ч-цами не позволяет А. сколько-нибудь длит. время существовать в в-ве. А. могут долго «жить» только при условии полного отсутствия контакта с ч-цами в-ва. Свидетельством о наличии антивещества где-нибудь «вблизи» от Вселенной было бы мощное аннигиляц. излучение, приходящее на Землю из области соприкосновения в-ва и антивещества. Но пока астрофизике не известны данные, к-рые говорили бы о существовании во Вселенной областей, заполненных антивеществом.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия ..1983 .
АНТИЧАСТИЦЫ
Элементарные частицы, имеющие те же значения масс, спинов и др. физ. характеристик, что и их "двойники" - "частицы", но отличающиеся от них знаками нек-рых характеристик взаимодействия ( зарядов, напр. знаком электрич. заряда).
Существование А. было предсказано П. A. M. Дираком (P. A. M. Dirac). Полученное им в 1928 квантовое релятивистское ур-ние движения электрона (см. Дирака уравнение )с необходимостью содержало решения с отрицат. энергиями. В дальнейшем было показано, что исчезновение электрона с отрицат. энергией следует интерпретировать как возникновение частицы (той же массы) с положит. энергией и с положит. электрич. зарядом, т. е. А. по отношению к электрону. Эта частица - позитрон - открыта в 1932.
В последующих экспериментах было установлено, что не только электрон, но и все остальные частицы имеют свои А. В 1936 в космич. лучах были открыты мюон и его А. , а в 1947 - - и -мезоны, составляющие пару частица А.; в 1955 в опытах на ускорителе зарегистрирован антипротон, в 1956 - антинейтрон и т. д. К наст. времени наблюдались А. практически всех известных частиц, и не вызывает сомне-" ния, что А. имеются у всех частиц.
Существование и свойства А. определяются в соответствии с фундам. принципом квантовой теории поля - её инвариантностью относительно СРТ -преобразования (см. Теорема CPT). Из CPТ -теоремы следует, что масса, спин и время жизни частицы и её А. должны быть одинаковыми. В частности, стабильным (относительно распада) частицам соответствуют стабильные А. (однако в веществе сколько-нибудь длительное существование их невозможно из-за аннигиляции с частицами вещества). Состояния частиц и их А. связаны операцией зарядового сопряжения.
Поэтому частица и А. имеют противоположные знаки электрич. зарядов (и магн. моментов), имеют одинаковый изотопический спин, но отличаются знаком его третьей проекции, имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку странность, очарование, красоту и т. д. Преобразование комбинированной инверсии (CP )связывает спиральные состояния частицы с состояниями А. противоположной спиральности. Частицам и их А. приписываются одинаковые по величине, но противоположные по знаку барионное и лептонное числа.
Вследствие инвариантности относительно зарядового сопряжения ( С -инвариантности) сильного и эл.-магн. взаимодействий связанные соответствующими силами составные объекты из частиц (атомные ядра, атомы) и из А. (ядра и атомы антивещества )должны иметь идентичную структуру. По той же причине совпадает структура адронов и их А., причём в рамках модели кварков состояния антибарионов описываются точно так же, как состояния барионов с заменой составляющих кварков на соответствующие им антикварки. Состояния мезонов и их А. отличаются заменой составляющих кварка и антикварка на соответствующие антикварк и кварк. Для истинно нейтральных частиц состояния частицы и А. совпадают. Такие частицы обладают определёнными зарядовой чётностью (С-чёт-ностью) и СР -чётностью. Все известные истинно нейтральные частицы - бозоны (напр., -мезоны - со спином - со спином 1), однако в принципе могут существовать и истинно нейтральные фермионы (т. н. майорановские частицы).
Слабое взаимодействие не инвариантно относительно зарядового сопряжения и, следовательно, нарушает симметрию между частицами и А., что проявляется в различии нек-рых дифференц. характеристик их слабых распадов.
Если к.-л. из квантовых чисел электрически нейтральной частицы не сохраняется строго, то возможны переходы (осцилляции) между состояниями частицы и её А. В этом случае состояния с определённым несохраняющимся квантовым числом не являются собств. состояниями оператора энергии-импульса, а представляют собой суперпозиции истинно нейтральных состояний с определ. значениями массы. Подобное явление может реализовываться в системах и т. п.
Само определение того, что называть "частицей" в паре частица-А., в значит. мере условно. Однако при данном выборе "частицы" её А. определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барионов определить "частицу" в любой паре барион-антибарион. Выбор электрона как "частицы" в паре электрон-позитрон фиксирует (вследствие сохранения лептонного числа в процессах слабого взаимодействия) определение состояния "частицы" в паре электронных нейтрино-антинейтрино. Переходы между лептонами разл. поколений (типа ) не наблюдались, так что определение "частицы" в каждом поколении лептонов, вообще говоря, может быть произведено независимо. Обычно по аналогии с электроном "частицами" называют отрицательно заряж. лептоны, что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино. Для бозонов понятие "частица" может фиксироваться определением, напр., гиперзаряда.
Рождение А. происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-А. (см. Рождение пар). В лаб. условиях А. рождаются во взаимодействиях частиц на ускорителях; хранение образующихся А. осуществляют в накопительных кольцах при высоком вакууме. В естеств. условиях А. рождаются при взаимодействии первичных космич. лучей с веществом, напр., атмосферы Земли, а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер галактик. Теоретич. астрофизика рассматривает образование А. (позитронов, антинуклонов) при аккреции вещества на чёрные дыры. В рамках совр. космологии рассматривают рождение А. при испарении первичных чёрных дыр малой массы.
При темп-pax, превышающих энергию покоя частиц данного сорта (использована система единиц = 1), пары частица-А. присутствуют в равновесии с веществом и эл.-магн. излучением. Такие условия могут реализовываться для электрон-позитронных пар в горячих ядрах массивных звёзд. Согласно теории горячей Вселенной, на очень ранних стадиях расширения Вселенной в равновесии с веществом и излучением находились пары частица-А. всех сортов. В соответствии с моделями великого объединения эффекты нарушения C- и СР-инвариантности в неравновесных процессах с несохранением барионного числа могли привести в очень ранней Вселенной к барионной асимметрии Вселенной даже в условиях строгого начального равенства числа частиц и А. Это даёт физ. обоснование отсутствию наблюдат. данных о существовании во Вселенной объектов из А.
Лит.: Дирак П. A. M., Принципы квантовой механики, пер. с англ., 2 изд., M., 1979; Нишиджима К., Фундаментальные частицы, пер. с англ., , 1965; Ли Ц., Ву Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., M., 1968; 3ельдович Я. В., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, M., 1975. M. Ю. Хлопов.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия .Главный редактор А. М. Прохоров .1988 .
В конце двадцатых годов нашего века только что развитая квантовая механика (см. § 210) была совместно с теорией относительности (см. § 199) применена к объяснению свойств электрона. Последовало неожиданное заключение: должен существовать положительно заряженный двойник электрона! И действительно, через несколько лет такая частица была открыта - это известный нам позитрон. Открытие позитрона было триумфом современной физической теории.
Позитрон называют античастицей электрона. Частица (электрон) и античастица (позитрон) различаются только знаком электрического заряда; остальные их свойства - масса покоя, абсолютная величина заряда, спин (т. е. внутреннее вращение, см. § 230) - в точности совпадают. Дальнейшее развитие квантовой теории привело к выводу, что, за исключением нескольких нейтральных частиц (фотон, -мезон), каждая частица должна иметь противоположно заряженный двойник - античастицу.
В предыдущем параграфе мы познакомились с двумя парами таких двойников - это - и -мезоны и мюоны и . Опыт показывает, что, как и в паре электрон - позитрон, частица и античастица в каждой из этих нар обладают одинаковыми свойствами - их массы и периоды полураспада равны.
Для нуклонов теория также предсказывает существование античастиц - антипротонов и антинейтронов (антинуклонов). Не следует удивляться, что у нейтрона, полный электрический заряд которого равен нулю, есть отличная от него самого античастица. Ведь мы уже видели раньше, что нейтрон нельзя считать нейтральной частицей. Он характеризуется сложным внутренним распределением заряда, и это проявляется, в частности, в том, что у нейтрона есть магнитный момент. Магнитные моменты нейтрона и антинейтрона оказываются направленными противоположно по отношению к направлению их спинов.
Помимо электрического заряда и магнитного момента, у нуклонов есть еще одна важная внутренняя характеристика (квантовое число), отличающая их от антинуклонов. Существование такой характеристики, которую условно можно также назвать некоторым «зарядом» - барионным зарядом ,- следует уже из стабильности нуклонов. Действительно, нуклоны, несмотря на свою большую массу, не распадаются очень быстро на легкие частицы (электроны, -кванты, -мезоны), хотя из энергетических соображений подобные распады, казалось, могли бы идти. Такая стабильность нуклонов и заставила предположить, что у них есть какое-то сохраняющееся квантовое число, получившее название барионного заряда, которого нет у легких частиц. Поэтому распад нуклонов на легкие частицы оказывается запрещенным.
Нуклонам приписывается значение барионного заряда . Тогда у антинуклонов барионный заряд будет .
Итак, антипротон характеризуется электрическим зарядом (в единицах элементарного заряда) и барионным зарядом . У антинейтрона электрический заряд нуль, и . Антипротон, как и протон, должен быть стабильным и должен обладать такой же массой. Антинейтрон должен иметь массу нейтрона и аналогично ему быть неустойчивым - превращаться путем -перехода в антипротон.
В земных условиях антинуклоны длительно существовать не должны, так как они, подобно позитронам, аннигилируют, объединяясь с нуклонами и превращаясь, как правило, в кванты ядерного поля - -мезоны.
Опыты показывают, что при любых превращениях частиц суммарный барионный заряд сохраняется подобно электрическому. Поэтому в ядерных реакциях, учитывая сохранение обоих зарядов, антинуклон может образоваться только в паре с нуклоном. Такие реакции могут вызываться частицами с энергией в миллиарды электрон-вольт, превосходящей энергию покоя пары нуклон - антинуклон (см. упражнение 58 в конце главы).
В 1955-1956 гг., через несколько лет после вступления в строй первого ускорителя на , группе американских физиков удалось обнаружить процессы образования антипротонов и антинейтронов на опыте. Эксперименты не только надежно доказали их существование, но и подтвердили предсказания теории относительно их свойств. Рис. 416 и 417 иллюстрируют, как антинуклоны изучаются при помощи пузырьковой камеры (см. § 235).
В последующие годы среди продуктов ядерных реакций частиц высокой энергии были обнаружены антидейтроны (атомные ядра, состоящие из антипротона и антинейтрона). Теоретически из антипротонов и антинейтронов можно строить всевозможные ядра (или, точнее, антиядра), отличающиеся от обычных протонно-нейтронных ядер лишь отрицательным знаком электрического (и барионного) заряда. Присоединяя позитроны, такие антиядра должны образовывать атомы, столь же устойчивые, как и обычные земные атомы. Это означает, что может существовать антивещество, построенное из антинуклонов и антиэлектронов, т. е. позитронов.
Астрофизические наблюдения до сих пор не обнаружили в видимой части Вселенной сколько-нибудь заметного присутствия антивещества. Пока нельзя с уверенностью сказать, что это: результат ли недостаточной точности наблюдений или же Вселенная действительно асимметрична, т.е. построена только из вещества, хотя антивещество, казалось бы, нисколько не худший строительный материал.
В предыдущем изложении мы говорили о нейтрино как о единой частице. Работы последних лот доказали существование нескольких разновидностей нейтрино. При -распаде нейтронов и протонов образуются электроны и позитроны . Частицу, испускаемую вместе с электроном условились называть электронным антинейтрино . Тогда частицу, испускаемую вместе с позитроном, следует называть электронным нейтринном С учетом этого реакции -распада (230.2) и (230.3) записываются следующим образом:
(233.1)
(233.2)
Прибавляя к уравнению (233.2) слева и справа по и аннигилируя в правой части нейтрино и антинейтрино (освобождающаяся энергия поглощается позитроном), приходим к реакции (231.1), но уже в более точном написании
. (233.3)
Аналогично из (233.1) следует
. (233.4)
Являются ли нейтрино антинейтрино одинаковыми или разными частицами? Ответ на этот вопрос должен дать эксперимент. Мы уже знакомы с частицами с нулевым электрическим зарядом, которые отличны от своих античастиц - это нейтроны и антинейтроны, различающиеся знаком барионных зарядов. По существуют незаряженные частицы и другого типа, тождественные своим античастицам - например фотоны или -мезоны, получившие поэтому название истинно нейтральных частиц. Опыты, проведенные на пучках антинейтрино ядерного реактора, показали, что реакция поглощения протонами (233.3) действительно наблюдается (см. § 231). Но поглощение нейтронами обнаружить не удалось. Именно этого и следовало ожидать, если электронные нейтрино и антинейтрино - разные частицы (тогда при взаимодействии с нейтронами могут поглощаться , но не ). Таким образом, из прямого эксперимента следует, что электронные нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга и не являются поэтому истинно нейтральными частицами. Дальнейшие исследования показали, что нейтрино, образующиеся при распаде -мезонов вместе с мюонами, отличаются от нейтрино, образующихся в (-распадах (233.1) и (233.2) вместе с электронами.
Реакцию распада -мезона на мюон и нейтрино теперь следует писать в виде . Прибавляя справа и слева по и по нейтрону, аннигилируя и объединяя , приходим
Очевидно, должна идти и обратная реакция
.
Эта реакция наблюдалась экспериментально с помощью ускорителей на лучках нейтрино , образующихся при распаде -мезонов. Эти пучки не вызывали, однако, реакции (233.3) и (233.4). Отсюда и был сделан вывод о различии мюонных и электронных нейтрино.
Экспериментально было показано также, что мюонные нейтрино и антинейтрино и отличаются друг от друга. Более подробно и полно о разных типах нейтрино см. в § 242.
Для всякой известной элементарной частицы имеется вероятность найти античастицу — то есть частицу с той же массой, но противоположными другими физическими характеристиками.
В 1920-е годы — после введения принципов квантовой механики — субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.
Увы, столь простой картине мира суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету (см. Элементарные частицы), и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы .
Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — «позитрон» (производное от «позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляци — обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.
Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году. Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта — собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.
Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson, 1905-91) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.
При помощи этого аппарата, получившего название конденсационная камера , Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью. По интенсивности трека, оставленного частицей, он мог судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. К 1932 году ему удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess, 1883-1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей. — Прим. переводчика .) Это был первый (и, пока что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!
Хотя вышеописанный пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание - проверка» в рамках научного метода, описанного во Введении , историческая реальность представляется не столь простой, как кажется. Дело в том, что Андерсон, судя по всему, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идет, скорее, об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона.
Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.
См. также:
1917, 1934 |
Ядерный распад и синтез |
В 1928 году Дирак опубликовал работу, впервые объясняющую поведение электрона с точки зрения сочетания принципов теории относительности и квантовой механики. Именно в этой работе было предсказано существование античастиц, и за неё Дирак несколько позже в 1933 году получил Нобелевскую премию по физике, разделив ее с Эрвином Шрёдингером. |
На основе квантовой теории сформулирован принцип зарядового сопряжения. Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.
Эксперименты показывают, что, за немногим исключением (например, фотон), действительно каждой частице соответствует античастица.
Согласно квантовой теории частицы и античастицы имеют:
- - одинаковые массы;
- - одинаковое время жизни в вакууме;
- - одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды;
- - одинаковые спины, а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам (в данном пособии они не рассматриваются).
Античастицы обозначаются тем же символом, что и частицы, только с тильдой. До 1956 г. считалось, что имеется полная симметрия между частицами и античастицами, т.е. если какой-то процесс идет между частицами, то должен существовать точно такой же (с теми же характеристиками) процесс между античастицами. Однако в 1956 г. доказано, что подобная симметрия характерна только для сильного и электромагнитного взаимодействий и нарушается для слабого.
Согласно квантовой теории столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы, или фотоны. Примером тому является реакция аннигиляции пары электрон - позитрон:
т.е. электронно-позитронная пара превращается в два у-кван- та, причем энергия пары переходит в энергию фотонов. Появление в этом процессе двух у-квантов следует из закона сохранения импульса и энергии. Рассмотренная реакция - пример взаимосвязи различных форм материи: в этих процессах материя в форме вещества превращается в материю в форме электромагнитного поля, и наоборот.
После того как предсказанное теоретически существование позитрона было подтверждено экспериментально, возник вопрос о существовании антипротона и антинейтрона. Антипротон был действительно обнаружен экспериментально (1955) при рассеянии протонов (ускоренных на крупнейшем в то время синхрофазотроне Калифорнийского университета) на нуклонах ядер мишени (мишенью служила медь), в результате которого рождалась пара р-р. Антипротон отличается от протона знаками электрического заряда и собственного магнитного момента.
Годом позже (1956) на том же ускорителе удалось получить антинейтрон (Я) и осуществить его аннигиляцию (п
отличается от Я знаком собственного магнитного момента). Если антипротон - стабильная частица, то свободный антинейтрон, если он не аннигиллирует, в конце концов претерпевает распад по схеме:
Античастицы были найдены также и для пионов, каонов и т.д. Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют, - это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, тг° -мезон и п° -мезон (его масса равна 1074 т с, время жизни 7 10 -19 с; распадается с образованием я-мезонов и у-квантов). Истинно нейтральные частицы не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементарных частиц. Можно сказать, что каждая из истинно нейтральных частиц тождественна своей античастице.
Большой интерес представляло доказательство существования антинейтрино, но поиск ответа на вопрос, являются нейтрино и антинейтрино тождественными или различными частицами, вызвал серьезные трудности. Однако с помощью очень многих тонких опытов было установлено, что нейтрино и антинейтрино - частицы разные, а также что пара у е, ^ - различные частицы, а пара ч е, У е нетождественна паре V V
После открытия столь большого числа античастиц на повестку дня встала новая задача - найти антиядра, иными словами, доказать существование антивещества, которое построено из античастиц, так же как вещество из частиц. Антиядра действительно были обнаружены. Первое антиядро - антидейтрон (связанное состояние р и Я) - было получено в 1965 г. группой американских физиков. Впоследствии на Серпуховском ускорителе были синтезированы ядра антигелия (1970) и антитрития (1973).
На Самом деле утверждение о том, что взаимодействие частиц и античастиц неизменно влечет за собой рождение фотонов, неверно даже по отношению к электронам и позитронам. Свободная электронно-позитронная пара аннигилирует с образованием электромагнитных квантов лишь в том случае, если ее энергия не слишком велика. Очень быстрые электроны и позитроны способны порождать положительные и отрицательные пи-мезоны (они же пионы), плюс- и минус-мюоны, протоны и антипротоны, и даже еще более тяжелые частицы - хватило бы только энергии. Медленные протоны и антипротоны при аннигиляции дают начало заряженным и нейтральным пионам (а быстрые - и другим частицам), которые распадаются - на гамма-кванты, мюоны и нейтрино. В принципе, столкновение частицы и ее антикопии может дать на выходе любую из комбинаций частиц, не запрещенных принципами симметрии и законами сохранения. |
Может показаться, что аннигиляция ничем не отличается от прочих межчастичных взаимодействий, однако одна принципиальная особенность у нее имеется. Чтобы стабильные частицы, такие как протоны или электроны, при встрече породили ливень из экзотических обитателей микромира, их нужно как следует разогнать. Медленные протоны при встрече просто изменят свою скорость - этим дело и закончится. А вот протон и антипротон, сблизившись, либо претерпят упругое рассеяние и разойдутся, либо аннигилируют и произведут на свет вторичные частицы.
Все вышеописанное относится к аннигиляции свободных частиц. Если хотя бы одна из них входит в состав квантовой системы, в принципе ситуация остается прежней, но альтернативы изменяются. Например, аннигиляция свободного электрона и свободного позитрона никогда не может породить всего один квант - не позволяет закон сохранения импульса. Это легче всего увидеть, если работать в системе центра инерции сталкивающейся пары, - тогда начальный импульс будет равен нулю и потому никак не сможет совпасть с импульсом единичного фотона, куда бы тот ни улетел. Если же позитрон встретится с электроном, входящим, скажем, в состав атома водорода, возможна и однофотонная аннигиляция - в этом случае часть импульса передастся атомному ядру.
КАК НАСЧЕТ АНТИГРАВА?
Английский физик Артур Шустер полагал, что антиматерия гравитационно отталкивается от обычной материи, но современная наука считает это маловероятным. Из самых общих принципов симметрии законов микромира следует, что античастицы должны притягиваться друг к другу силами тяготения, подобно частицам без приставки "анти". Вопрос о том, каково гравитационное взаимодействие частиц и античастиц, до конца еще не решен, однако ответ на него почти очевиден.
Для начала обратимся к эйнштейновской общей теории относительности. Она основана на принципе строгого равенства гравитационной и инертной масс, причем для обычного вещества это утверждение экспериментально подтверждено множеством точнейших измерений. Поскольку инертная масса частицы точно равна массе ее античастицы, представляется очень вероятным, что их гравитационные массы тоже равны. Однако это все-таки предположение, пусть и очень правдоподобное, и средствами ОТО оно недоказуемо.
 |
Это регистрация излучения с энергией, характерной для аннигиляции, либо непосредственно регистрация античастиц по массе и заряду. Поскольку антипротоны и ядра антигелия не могут пролететь сквозь атмосферу, их регистрация возможна лишь с помощью инструментов, поднятых в высокие слои атмосферы на аэростатах, или орбитальных инструментов, таких как магнитный альфа-спектрометр AMS-01, доставленный на станцию "Мир" в 1998 году, или его значительно усовершенствованный собрат AMS-02 (на фотографии), который начнет свою работу на МКС. |
ОСНОВНЫЕ ПУТИ ПОИСКА АНТИМАТЕРИИ |
Еще один аргумент против гравитационного отталкивания между веществом и антивеществом следует из квантовой механики. Вспомним, что адроны (частицы, принимающие участие в сильных взаимодействях) сложены из кварков, склеенных глюонными связями. В состав каждого бариона входят три кварка, в то время как мезоны состоят из парных комбинаций кварков и антикварков, причем не всегда одних и тех же (мезон, в состав которого входят кварк и его собственный антикварк, является истинно нейтральной частицей в том смысле, что он полностью тождественен своему антимезону). Однако эти кварковые структуры нельзя считать абсолютно стабильными. Протон, например, скомпонован из двух u-кварков, каждый из которых несет элементарный электрический заряд +2/3, и одного d-кварка с зарядом -1/3 (поэтому заряд протона равен +1). Однако эти кварки в результате взаимодействия с глюонами могут на очень короткое время менять свою природу - в частности, превращаться в антикварки. Если частицы и античастицы гравитационно отталкиваются, вес протона (а также, естественно, нейтрона) должен давать слабые осцилляции. Однако до сих пор ни в единой лаборатории подобный эффект не обнаружили.
Можно не сомневаться, что когда-нибудь на этот вопрос ответит Его Величество Эксперимент. Нужно-то немного - накопить побольше антивещества и посмотреть, как оно поведет себя в поле земного тяготения. Однако технически эти измерения невероятно сложны, и трудно предсказать, когда их удасться осуществить.
ТАК В ЧЕМ ЖЕ РАЗНИЦА?
После открытия позитрона в течение четверти века почти все физики были уверены, что природа не видит различий между частицами и античастицами. Конкретнее, считалось, что любому физическому процессу с участием частиц соответствует точно такой же процесс с участием античастиц и осуществляются они оба с одинаковой вероятностью. Наличные экспериментальные данные свидетельствовали, что этот принцип соблюдается для всех четырех фундаментальных взаимодействий - сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного.
А потом как-то сразу все резко изменилось. В 1956 году американские физики Ли Дзундао и Янг Дженьнин опубликовали удостоенную Нобелевской премии работу, в которой они обсуждали затруднения, связанные с тем, что две, казалось бы, одинаковые частицы, тэта-мезон и тау-мезон, распадаются на разное число пионов. Авторы подчеркнули, что эту проблему можно разрешить, если предположить, что такие распады связаны с процессами, характер которых изменяется при переходе от правого к клевому, иначе говоря, при зеркальном отражении (чуть позже физики поняли, что в общем виде нужно говорить об отражениях в каждой из трех координатных плоскостей - или, что то же самое, о смене знаков всех пространственных координат, пространственной инверсии). Это означает, что зеркально отраженный процесс может оказаться под запретом или происходить с иной вероятностью, нежели до отражения. Годом позже американские экспериментаторы (принадлежащие двум независимым группам и работавшие разными методами) подтвердили, что такие процессы действительно существуют.
Это было только начало. Тогда же физики-теоретики из СССР и США осознали, что нарушение зеркальной симметрии делает возможным и нарушение симметрии относительно замены частиц на античастицы, что тоже было неоднократно доказано в экспериментах. Стоит отметить, что незадолго до Ли и Янга, но все в том же 1956 году возможность нарушения зеркальной симметрии обсуждали физик-экспериментатор Мартин Блок и великий теоретик Ричард фейнман, но они так и не опубликовали этих соображений.
 |
Во время одной из последних миссий шаттлов (STS-134) в 2010 году на МКС будет доставлен новый научный прибор - магнитный альфа-спектрометр (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer). Его прототип AMS-01 был доставлен на борт космической станции "Мир" в 1998 году и подтвердил работоспособность копцепции. Основной целью научной программы будет изучение и измерение с высокой точностью состава космических лучей, а также поиск экзотических форм материи - темной материи, странной материи (частиц, в составе которых есть странные (s) кварки), а также антиматерии - в частности, ядер антигелия. |
AMS НА МКС |
Физики традиционно обозначают зеркальное отражение латинской буквой Р, а замену частиц на их античастицы - буквой С. Обе симметрии нарушаются только в процессах с участием слабого взаимодействия, того самого, что несет ответственность за бета-распад атомных ядер. Отсюда следует, что именно благодаря слабым взаимодействиям существуют различия в поведении частиц и античастиц.
Странное нарушение зеркальной симметрии вызвало к жизни попытки чем-то ее компенсировать. Уже в 1956 году Ли и Янг и независимо от них Лев Ландау предположили, что природа не делает различий между системами, которые получаются друг из друга совместным применением преобразований С и Р (так называемая СР-симметрия). С точки зрения теории эта гипотеза выглядела очень убедительной и к тому же хорошо ложилась на экспериментальные данные. Однако всего через восемь лет сотрудники Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили, что один из незаряженных К-мезонов (или, как их еще называют, каонов) может распадаться на пионную пару. При строгом соблюдении CP-симметрии такое превращение невозможно - и следовательно, эта симметрия не универсальна! Правда, доля вроде бы запрещенных распадов не превышала 0,2%, но они все же имели место! Это открытие принесло руководителям брукхейвенской команды Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу Нобелевскую премию по физике.
СИММЕТРИЯ И АНТИМАТЕРИЯ
Нарушения CP-симметрии непосредственно связаны с отличием материи от антиматерии. В конце 1990-х годов в ЦЕРН провели очень красивый эксперимент с нейтральными каонами К 0 , каждый из которых состоит из d-кварка и более массивного странного антикварка. Законы природы позволяют антикварку потерять часть энергии и превратиться в анти-d. Высвободившаяся энергия может поити на распад каона, однако не исключено, что соседний d-кварк поглотит ее и превратится в странный кварк. В результате этого возникнет частица, состоящая из анти-d-кварка и странного кварка, то есть нейтральный антикаон. Формально это превращение можно описать как результат применения к каону СР-преобразования!
Таким образом, если CP-симметрия соблюдается абсолютно строго, то нейтральные каоны К 0 переходят в свои античастицы с точно такой же вероятностью, с какой те претерпевают обратные превращения. Любое нарушение CP-симметрии повлечет за собой изменение одной из этих вероятностей. Если приготовить пучок из равного числа нейтральных каонов и антикаонов и проследить динамику концентрации тех и других частиц, можно выяснить, уважают ли их квантовые осцилляции СР-симмтрию.
Именно это и сделали физики из ЦЕРН. Они выяснили, что нейтральные антикаоны становятся каонами чуть-чуть быстрее, чем превращаются в антикаоны. Иначе говоря, был обнаружен процесс, в ходе
которого антиматерия превращается в материю быстрее, чем материя - в антиматерию! В смеси с изначально равными долями вещества и антивещества со временем образуется пусть небольшой, но все же
поддающийся измерению избыток вещества. Такой же эффект был выявлен в экспериментах и с другими тяжелыми нейтральными частицами - D 0 -мезонами и В 0 -мезонами.
Таким образом, к концу XX века экспериментаторы убедительно доказали, что слабые взаимодействия по-разному влияют на частицы и античастицы. Хотя эти различия сами по себе очень малы и выявляются
лишь в ходе некоторых превращений весьма экзотических частиц, они все совершенно реальны. Это и означает наличие физической асимметрии между материей и антиматерией.
Для полноты картины стоит отметить еще одно обстоятельство. В 1950-х годах было доказано важнейшее положение релятивистской квантовой механики - СРТ-теорема. Она гласит, что частицы и античастицы
строго симметричны по отношению к CP-преобразованию, за которым следует обращение времени (строго говоря, эта теорема верна лишь без учета гравитации, в противном случае вопрос остается открытым).
Следовательно, если в каких-то процессах не соблюдается CP-симметрия, их скорость в "прямом" и "обратном" направлениях (что считать тем и другим, конечно, вопрос соглашения) должна быть
неодинаковой. Именно это и доказали эксперименты в ЦЕРН с нейтральными каонами.
ГДЕ ЖЕ АНТИМИРЫ?
В 1933 году Поль Дирак был уверен, что в нашей Вселенной существуют целые острова антивещества, о чем и упомянул в своей нобелевской лекции. Однако современные ученые считают, что таких островов нет ни в нашей Галактике, ни за ее пределами. Конечно, антиматерия как таковая существует. Античастицы порождаются многими высокоэнергетическими процессами - скажем, термоядерным горением звездного топлива и взрывами сверхновых звезд. Они возникают в облаках замагниченной плазмы, окружающих нейтронные звезды и черные дыры, во время столкновений быстрых космических частиц в межзвездном пространстве, при бомбардировке земной атмосферы космическими лучами и, наконец, в экспериментах на ускорителях. Кроме того, распад некоторых радионуклидов сопровождается образованием античастиц - а именно позитронов. Но все это лишь античастицы, а отнюдь не антивещество. До сих пор никому не удалось обнаружить даже космический антигелий, не говоря уж об элементах потяжелее. Не увенчался успехом и поиск гамма-излучения со специфическим спектром, обусловленного аннигиляцией на границах космических скоплений материи и антиматерии.
МИР ИЛИ АНТИМИР? |
Вообразим, что мы летим на межзвездном корабле, который приближается к планете с разумной жизнью. Как узнать, из чего сделаны наши братья по разуму - из вещества или антивещества? Можно отправить
разведывательный зонд, но если он взорвется в атмосфере, нас могут счесть за космических агрессоров, как в фантастическом романе Кшиштофа Боруня "Антимир". Этого можно избежать с помощью все тех
же нейтральных каонов и антикаонов. Как уже говорилось, они способны не только превращаться друг в друга, но и распадаться, причем разными способами. В подобных распадах могут рождаться нейтрино
в сопровождении либо положительных пионов и электронов, либо отрицательных пионов и позитронов.
|
МИР ИЛИ АНТИМИР? |
В научной литературе периодически появляются сообщения об открытии нестандартных первичных источников космических античастиц непонятного происхождения. В апреле 2009 года были опубликованы данные о загадочном избытке чрезвычайно быстрых позитронов, зарегистрированном детекторным комплексом PAMELA. Эта аппаратура размещена на борту российского спутника "Ресурс-ДК", 15 июня 2006 года отправленного на околоземную орбиту с космодрома Байконур. Некоторые эксперты интерпретировали этот результат как возможное свидетельство аннигиляции гипотетических частиц темной материи, но вскоре появилось и не столь экзотическое объяснение. Эту гипотезу прокомменитировал для известный специалист по космическим лучам Вениамин Березинский из Национальной лаборатории Гран-Сассо, входящей в состав итальянского Национального института ядерной физики: "Стандартная модель рождения галактических космических лучей покоится на трех положениях. Первым и основным источником заряженных частиц считают остатки сверхновых. Вторая идея - частицы ускоряются до ультрарелятивистских скоростей на фронтах послевзрывных ударных волн, причем в этом ускорении очень велика роль их собственного магнитного поля. Третье положение заключается в том, что космические лучи распространяются диффузионно. Мой бывший студент, а ныне профессор Национального института астрофизики Паскуале Блази показал, что избыток позитронов, обнаруженный комплексом PAMELA, вполне согласуется с этой моделью. Разогнанные в ударных волнах протоны сталкиваются с частицами космического газа и именно в этой зоне своего ускорения превращаются в положительные пионы, которые распадаются с образованием позитронов и нейтрино. Согласно вычислениям Блази, этот процесс вполне может дать именно такую концентрацию позитронов, которую выявила PAMELA. Подобный механизм генерации позитронов выглядит абсолютно естественно, однако почему-то до сих пор он никому не приходил в голову. Блази показал также, что эти же процессы должны генерировать и избыточные антипротоны. Однако поперечное сечение их рождения много меньше соответствующей величины для позитронов, из-за чего их можно зарегистрировать лишь при более высоких энергиях. Думаю, что со временем это станет возможным".
В общем, пока все говорит за то, что в космосе нет ни антизвезд, ни антипланет, ни даже самых крохотных антиметеоров. С другой стороны, общепринятые модели Большого взрыва утверждают, что вскоре после рождения наша Вселенная содержала одинаковое количество частиц и античастиц. Так почему же первые сохранились, а вторые исчезли?
