Zbierka prvkov. častice s rovnakými hmotnosťami a inými fyzikálnymi hodnotami. charakteristické, že ich „dvojníky“ sú ch-tsy, ale líšia sa od nich znakom určitých charakteristík (napríklad elektrický náboj, magnetický moment). Meno "ch-tsa" a "A." do určitej miery podmienené: antielektrón (kladne nabitý elektrón) by sme mohli nazvať h-ce a elektrón - A. Atómy látky v pozorovateľnej časti Vesmíru však obsahujú elektróny so záporom. náboj a protóny majú kladný náboj. Preto pre tých, ktorí sú od začiatku známi. 20. roky 20. storočie prvok. h-ts - el-n a protón (a neskôr neutrón) bol prijatý názov „častica“.
Záver o existencii A. bol prvýkrát urobený v roku 1931. fyzik P. Dirac. Vyviedol príbuzného. kvantový. rovnica pre el-n (Diracova rovnica), ktorá sa ukázala ako symetrická vzhľadom na znamienko elektr. náboj: spolu so záporným nábojom. e-nom to opísalo kladný náboj. h-tsu rovnakej hmotnosti - antielektrón. Podľa Diracovej teórie by zrážka častice a atómu mala viesť k ich anihilácii – zániku tohto páru, v dôsledku čoho sa zrodia napríklad dve alebo viac ďalších častíc. fotóny.
V roku 1932 antielektróny experimentálne objavil Amer. fyzik K. Anderson. Fotografoval spŕšky produkované kozmickými lúčmi v oblačnej komore umiestnenej v magnetickom poli. lúka. Nabite ch-tsa sa pohybuje magneticky. pole pozdĺž kruhového oblúka a častice s nábojmi rôznych znakov sú vychýlené poľom v opačných smeroch. Spolu s vtedy dobre známymi stopami rýchlych elektrónov objavil Anderson na fotografiách úplne rovnaký vzhľad. stopy sa zdajú byť kladne nabité. h-ts rovnakej hmotnosti. Tieto častice sa nazývali pozitróny. Objav pozitrónu bol brilantným potvrdením Diracovej teórie. Od toho času sa začalo pátranie po ďalších A.
V roku 1936 aj do vesmíru. lúče boli zistené negatívne. a položte to. mióny (m- a m+), ktoré sú si navzájom rovné a rovné. V roku 1947 sa zistilo, že kozmické mióny. lúče vznikajú v dôsledku rozpadu o niečo ťažších h-c - pi-mezónov (p-, p+). V roku 1955 boli pri experimentoch s urýchľovačmi zistené prvé antiprotóny. Phys. Proces, ktorý vyústil do tvorby antiprotónov, bol zrodenie páru protón-antiprotón. O niečo neskôr boli objavené antineutróny. Do roku 1981 bol A. experimentálne objavený takmer vo všetkých známych pivách. tsk.
Všeobecné princípy kvantovej teórie poľa nám umožňujú vyvodiť množstvo hlbokých záverov o vlastnostiach častice a elektrónu: hmotnosť, spin, izotopický spin, životnosť častice a jej energia musia byť rovnaké (najmä stabilné častice zodpovedajú stabilnému A.); nielen elektrická energia musí mať rovnakú veľkosť, ale aj opačné znamienko. náboje (a magnetické momenty) častice a a., ale aj všetky ostatné kvantá. čísla, ktoré sú priradené ľuďom na opis vzorcov ich konania: baryónový náboj, leptónový náboj, zvláštnosť, „čaro“ atď. Osoba, ktorá má všetky vlastnosti, ktoré ju odlišujú od A., sa rovná nule, tzv. skutočne neutrálny; ch-tsa a A. takéto ch-ts sú totožné. Patria sem napríklad fotóny, p0- a h-mezóny, J/y- a Y-častice.
Do roku 1956 sa verilo, že medzi h-ts a A existuje úplná symetria. To znamená, že ak je možné k-l. proces medzi časticami, potom presne ten istý proces musí existovať medzi A. V roku 1956 sa zistilo, že takáto symetria existuje len v silnej a el.-magnetickej. vo výhľade. V slabom šoku sa zistilo porušenie symetrie častice-A. (pozri PRIPOJENIE NAPÁJANIA). Antihmota sa dá v princípe postaviť z atómov presne tak, ako látky z čiernej hmoty. Možnosť anihilácie pri stretnutí s černochmi však nedovoľuje A. vydržať dlho. čas existovať v obci. A. môže „žiť“ dlho len vtedy, ak úplne chýba kontakt s členmi ostrova. Dôkaz o prítomnosti antihmoty niekde „blízko“ vesmíru by bol silným zničením. žiarenie prichádzajúce na Zem z oblasti kontaktu hmoty a antihmoty. Astrofyzika však zatiaľ nepozná žiadne údaje, ktoré by naznačovali existenciu oblastí naplnených antihmotou vo vesmíre.
Fyzický encyklopedický slovník. - M.: Sovietska encyklopédia..1983 .
ANTI-častice
Elementárne častice, ktoré majú rovnaké hodnoty hmotností, spinov atď. fyzikálnych. charakteristiky ako ich „dvojky“ - „častice“, ale líšia sa od nich znakmi určitých interakčných charakteristík ( poplatky, napr elektrické znamenie poplatok).
Existenciu A. predpovedal P. A. M. Dirac. Kvantovú relativistickú rovnicu pohybu elektrónov získal v roku 1928 (pozri. Diracova rovnica)nevyhnutne obsahoval roztoky s neg. energie. Neskôr sa ukázalo, že zmiznutie elektrónu z negatívu energiu treba interpretovať ako vznik častice (rovnakej hmotnosti) s klad. energiu a pozitivitu. elektrický náboj, teda A. vo vzťahu k elektrónu. Táto častica je pozitrón - otvorený v roku 1932.
V nasledujúcich experimentoch sa zistilo, že nielen elektrón, ale aj všetky ostatné častice majú svoje vlastné A. V roku 1936 pri kozmickom výskume. lúče boli otvorené mión a jeho A. a v roku 1947 - - a -mezóny, tvoriace pár častice A.; zaregistrovaný v roku 1955 v experimentoch s urýchľovačom antiprotón, v roku 1956 - antineutrón atď. K dnešnému dňu. Postupom času bol A. pozorovaný takmer vo všetkých známych časticiach a niet pochýb, že A. je prítomný vo všetkých časticiach.
Existencia a vlastnosti A. sa určujú v súlade so základmi. princíp kvantovej teórie poľa – jeho invariantnosť vzhľadom na SRT- premeny (pozri CPT veta). Od CPT-veta vyplýva, že hmotnosť, spin a životnosť častice a jej A. musia byť rovnaké. Stabilné častice (vo vzťahu k rozpadu) zodpovedajú najmä stabilným časticiam (ich existencia v hmote počas akéhokoľvek dlhého časového obdobia je však nemožná z dôvodu zničenie s časticami hmoty). Operáciou sú spojené stavy častíc a ich A konjugácia náboja.
Preto častica a A. majú opačné elektrické znamienka. náboje (a magnetické momenty) majú to isté izotopový spin, ale líšia sa znakom jeho tretieho výbežku, veľkosťou sú identické, ale znakom opačné zvláštnosť, čaro, krása atď. Konverzia kombinovaná inverzia (CP) spája helikálne stavy častice so stavmi A. s opačnou helicitou. Časticiam a ich atómom sú priradené baryónové a leptónové čísla, ktoré majú rovnakú veľkosť, ale opačné znamienko.
Kvôli invariantnosti vzhľadom na konjugáciu náboja ( S-invariantnosť) silný a el.-magn. interakcie spojené zodpovedajúcimi silami, zložené objekty vyrobené z častíc (atómové jadrá, atómy) a z atómov (jadrá a atómy antihmota) musia mať rovnakú štruktúru. Z rovnakého dôvodu sa štruktúra hadrónov a ich atómov zhoduje av rámci modelu kvarky stavy antibaryónov sú opísané presne tak, ako stavy baryónov, pričom zložky kvarkov sú nahradené ich zodpovedajúcimi starožitnosti. Stavy mezónov a ich A. sa líšia v nahradení komponentov kvark a antikvark zodpovedajúcim antikvarkom a kvarkom. Pre skutočné neutrálne častice stavy častice a A. sa zhodujú. Takéto častice majú určité parita poplatkov(s paritou) a SR- parita. Všetky známe skutočne neutrálne častice sú bozóny (napríklad -mezóny - so spinom - so spinom 1), v zásade však skutočne neutrálne fermióny (tzv. častice majorany).
Slabá interakcia nie je invariantný vzhľadom na konjugáciu náboja, a preto narúša symetriu medzi časticami a časticami, čo sa prejavuje rozdielom v určitých diferenciáloch. charakteristiky ich slabého rozpadu.
Ak k.-l. kvantových čísel elektricky neutrálnej častice nie je striktne zachovaná, potom sú možné prechody (oscilácie) medzi stavmi častice a jej A V tomto prípade nie sú stavy s určitým nezakonzervovaným kvantovým číslom správne. stavy operátora energie-hybnosť a predstavujú superpozície skutočne neutrálnych stavov s definíciou. hmotnostné hodnoty. Podobný jav sa môže vyskytnúť v systémoch atď.
Samotná definícia toho, čo nazývať „častica“ v páre častica-A znamená. aspoň podmienečne. Avšak pre daný výber „častice“ je jej A. určené jednoznačne. Zachovanie baryónového čísla v slabých interakčných procesoch umožňuje určiť „časticu“ v ktoromkoľvek páre baryón-antibaryón z reťazca baryónových rozpadov. Voľba elektrónu ako „častice“ v páre elektrón-pozitrón fixuje (v dôsledku zachovania leptónového čísla pri slabých interakčných procesoch) určenie stavu „častice“ v páre elektrón neutríno-antineutrín. Prechody medzi leptónmi sa rozkladajú. generácie (typ ) neboli pozorované, takže definíciu „častice“ v každej generácii leptónov možno vo všeobecnosti urobiť nezávisle. Zvyčajne sa analogicky s elektrónom „častice“ nazývajú záporne nabité. leptónov, ktorý pri zachovaní leptónového čísla určuje zodpovedajúce neutrína a antineutrína. Pre bozóny môže byť pojem „častice“ stanovený definíciou, napr. hypernáboj.
Zrodenie atómu nastáva pri zrážkach častíc hmoty zrýchlených na energie prekračujúce prah pre zrodenie častice-páru. (cm. Narodenie párov). Do laboratória. v podmienkach sa A. rodia pri interakciách častíc na urýchľovačoch; skladovanie vzniknutého A. sa uskutočňuje v úložné krúžky pri vysokom vákuu. V prirodzenom podmienky A. sa rodia pri interakcii primárnych kozmických. lúče s hmotou, napríklad zemskou atmosférou, a mali by sa zrodiť aj v okolí pulzary a aktívne galaktické jadrá. Teoretické astrofyzika uvažuje o vzniku elektrónov (pozitrónov, antinukleónov) pri narastaní hmoty na čierne diery. V rámci moderného Kozmológia uvažuje o zrode hviezd počas vyparovania prvotných čiernych dier nízkej hmotnosti.
Pri temp-pax presahujúcej pokojovú energiu častíc daného typu (bol použitý systém jednotiek = 1), páry častica-A. sú prítomné v rovnováhe s látkou a el.-magn. žiarenia. Takéto podmienky možno realizovať pre páry elektrón-pozitrón v horúcich jadrách masívnych hviezd. Podľa teórie horúceho vesmíru boli vo veľmi skorých štádiách rozpínania vesmíru páry častica-A v rovnováhe s hmotou a žiarením. všetky odrody. Podľa modelov veľké zjednotenie rušivé účinky C- a invariantnosť CP v nerovnovážnych procesoch s nezachovaním baryónového čísla by mohla viesť vo veľmi ranom vesmíre k baryónová asymetria vesmíru aj za podmienok prísnej počiatočnej rovnosti počtu častíc a A. To dáva fyzikálne. odôvodnenie absencie pozorovaní. údaje o existencii objektov vo vesmíre od A.
Lit.: Dirac P. A. M., Princípy kvantovej mechaniky, prekl. z angličtiny, 2. vydanie, M., 1979; Nishijima K., Fundamental Particles, trans. z angličtiny, , 1965; Li Ts., Wu Ts., Slabé interakcie, trans. z angličtiny, M., 1968; Zel'dovich Ya V., Novikov I. D., Štruktúra a vývoj vesmíru, M., 1975. M. Yu Khlopov.
Fyzická encyklopédia. V 5 zväzkoch. - M.: Sovietska encyklopédia.Šéfredaktor A. M. Prochorov.1988 .
Koncom dvadsiatych rokov nášho storočia sa novorozvinutá kvantová mechanika (pozri § 210) aplikovala spolu s teóriou relativity (pozri § 199) na vysvetlenie vlastností elektrónu. Nasledoval neočakávaný záver: musí existovať kladne nabitý elektrónový dvojník! A skutočne, o niekoľko rokov neskôr bola takáto častica objavená - toto je nám známy pozitrón. Objav pozitrónu bol triumfom modernej fyzikálnej teórie.
Pozitron sa nazýva antičastica elektrónu. Častica (elektrón) a antičastica (pozitrón) sa líšia iba znakom elektrického náboja; ich ostatné vlastnosti - pokojová hmotnosť, absolútna hodnota náboja, spin (t.j. vnútorná rotácia, pozri § 230) - sa presne zhodujú. Ďalší vývoj kvantovej teórie viedol k záveru, že s výnimkou niekoľkých neutrálnych častíc (fotónu, -mezónu) musí mať každá častica opačne nabité dvojča – antičasticu.
V predchádzajúcom odseku sme sa zoznámili s dvoma pármi takýchto dvojčiat - sú to - a -mezóny a mióny a. Skúsenosti ukazujú, že rovnako ako v páre elektrón-pozitrón, častica a antičastica v každom z týchto párov majú rovnaké vlastnosti - ich hmotnosti a polčasy sú rovnaké.
Pre nukleóny teória predpovedá aj existenciu antičastíc – antiprotónov a antineutrónov (antinukleónov). Nemalo by byť prekvapujúce, že neutrón, ktorého celkový elektrický náboj je nulový, má antičasticu odlišnú od seba. Koniec koncov, už sme videli, že neutrón nemožno považovať za neutrálnu časticu. Vyznačuje sa zložitým rozdelením vnútorného náboja, čo sa prejavuje najmä tým, že neutrón má magnetický moment. Ukázalo sa, že magnetické momenty neutrónu a antineutrónu smerujú opačne vzhľadom na smer ich rotácií.
Okrem elektrického náboja a magnetického momentu majú nukleóny ešte jednu dôležitú vnútornú charakteristiku (kvantové číslo), ktorá ich odlišuje od antinukleónov. Existencia takejto charakteristiky, ktorú možno bežne nazvať aj určitým „nábojom“ – baryónovým nábojom – vyplýva zo stability nukleónov. Nukleóny sa napriek svojej veľkej hmotnosti nerozpadajú veľmi rýchlo na ľahké častice (elektróny, -kvantá, -mezóny), hoci z energetických úvah sa zdalo, že k takýmto rozpadom môže dôjsť. Táto stabilita nukleónov viedla k predpokladu, že majú nejaký druh konzervovaného kvantového čísla nazývaného baryónový náboj, ktorý ľahké častice nemajú. Preto je rozpad nukleónov na ľahké častice zakázaný.
Nukleónom je priradená hodnota baryónového náboja. Potom budú mať antinukleóny baryónový náboj.
Antiprotón je teda charakterizovaný elektrickým nábojom (v jednotkách elementárneho náboja) a baryónovým nábojom. Antineutrón má nulový elektrický náboj a . Antiprotón, rovnako ako protón, musí byť stabilný a musí mať rovnakú hmotnosť. Antineutrón musí mať hmotnosť neutrónu a podobne musí byť nestabilný – transformovať sa prechodom na antiprotón.
V pozemských podmienkach by antinukleóny nemali existovať dlhú dobu, pretože, podobne ako pozitróny, anihilujú, kombinujú sa s nukleónmi a spravidla sa menia na kvantá jadrového poľa - mezóny.
Experimenty ukazujú, že pri akejkoľvek transformácii častíc sa celkový baryónový náboj zachová ako elektrický. Preto pri jadrových reakciách, berúc do úvahy zachovanie oboch nábojov, môže antinukleón vzniknúť len v páre s nukleónom. Takéto reakcie môžu spôsobiť častice s energiami miliárd elektrónvoltov, ktoré presahujú pokojovú energiu páru nukleón-antinukleón (pozri cvičenie 58 na konci kapitoly).
V rokoch 1955-1956, niekoľko rokov po uvedení prvého urýchľovača do prevádzky o , sa skupine amerických fyzikov podarilo experimentálne objaviť procesy tvorby antiprotónov a antineutrónov. Experimenty nielenže spoľahlivo dokázali ich existenciu, ale potvrdili aj predpovede teórie týkajúce sa ich vlastností. Ryža. 416 a 417 ilustrujú, ako sa študujú antinukleóny pomocou bublinovej komory (pozri § 235).
V nasledujúcich rokoch boli medzi produktmi jadrových reakcií vysokoenergetických častíc objavené antideuteróny (atómové jadrá pozostávajúce z antiprotónu a antineutrónu). Z antiprotónov a antineutrónov je teoreticky možné postaviť všetky druhy jadier (alebo presnejšie antinukleí), ktoré sa od bežných protón-neutrónových jadier líšia iba záporným znamienkom elektrického (a baryónového) náboja. Naviazaním pozitrónov by takéto antijadrá mali tvoriť atómy, ktoré sú stabilné ako bežné pozemské atómy. To znamená, že antihmota môže existovať, postavená z antinukleónov a antielektrónov, t.j. pozitrónov.
Astrofyzikálne pozorovania zatiaľ neobjavili žiadnu viditeľnú prítomnosť antihmoty vo viditeľnej časti vesmíru. Zatiaľ sa nedá s určitosťou povedať, či je to dôsledok nedostatočnej presnosti pozorovaní, alebo je Vesmír skutočne asymetrický, t.j. postavené iba z hmoty, aj keď antihmota, zdá sa, nie je vôbec najhorším stavebným materiálom.
V predchádzajúcej prezentácii sme hovorili o neutríne ako o jednej častici. Najnovšie práce dokázali existenciu niekoľkých typov neutrín. Rozpadom neutrónov a protónov vznikajú elektróny a pozitróny. Bolo dohodnuté nazývať časticu emitovanú spolu s elektrónom elektrónovým antineutrínom. Potom by sa častica emitovaná spolu s pozitrónom mala nazývať elektrónové neutríno. Berúc to do úvahy, reakcie rozpadu (230.2) a (230.3) sú zapísané takto:
(233.1)
(233.2)
Pridaním k rovnici (233.2) vľavo a vpravo a anihilácii neutrína a antineutrína na pravej strane (uvoľnenú energiu absorbuje pozitrón) sa dostaneme k reakcii (231.1), ale presnejšie
. (233.3)
Podobne z (233.1) to vyplýva
. (233.4)
Sú neutrína a antineutrína rovnaké alebo odlišné častice? Odpoveď na túto otázku by mala byť daná experimentom. Známe sú už častice s nulovým elektrickým nábojom, ktoré sa líšia od svojich antičastíc – sú to neutróny a antineutróny, líšiace sa znamienkom baryónových nábojov. Existujú však nenabité častice iného typu, identické s ich antičasticami - napríklad fotóny alebo -mezóny, ktoré sa preto nazývajú skutočne neutrálne častice. Experimenty uskutočnené na antineutrínových lúčoch z jadrového reaktora ukázali, že absorpčná reakcia protónmi (233.3) je skutočne pozorovaná (pozri § 231). Absorpciu neutrónov však nebolo možné zistiť. To je presne to, čo by sa malo očakávať, ak elektrónové neutrína a antineutrína sú rôzne častice (vtedy môžu byť absorbované pri interakcii s neutrónmi, ale nie). Z priameho experimentu teda vyplýva, že elektrónové neutrína a antineutrína sa navzájom líšia, a preto nie sú skutočne neutrálnymi časticami. Ďalšie štúdie ukázali, že neutrína produkované počas rozpadu -mezónov spolu s miónmi sa líšia od neutrína produkovaných v (233.1) a (233.2) rozpadoch spolu s elektrónmi.
Reakciu rozpadu -mezónu na mión a neutríno je teraz potrebné zapísať v tvare . Pridávaním sprava a zľava dnu a von z neutrónu, anihiláciou a kombinovaním sa dostávame k
Je zrejmé, že musí dôjsť k spätnej reakcii
.
Táto reakcia bola experimentálne pozorovaná pomocou lúčových urýchľovačov neutrín produkovaných počas rozpadu -mezónov. Tieto lúče však nespôsobili reakcie (233.3) a (233.4). Preto bol urobený záver o rozdiele medzi miónovými a elektrónovými neutrínami.
Experimentálne sa tiež ukázalo, že miónové neutrína a antineutrína sa navzájom líšia. Podrobnejšie a úplné informácie o rôznych typoch neutrín nájdete v § 242.
Pre každú známu elementárnu časticu existuje pravdepodobnosť nájdenia antičastice - teda častice s rovnakou hmotnosťou, ale opačnými inými fyzikálnymi vlastnosťami.
V 20. rokoch 20. storočia, po zavedení princípov kvantovej mechaniky, sa subatomárny svet zdal mimoriadne jednoduchý. Jadro atómu tvorili len dva typy elementárnych častíc – protóny a neutróny (hoci existencia neutrónov bola experimentálne potvrdená až v 30. rokoch 20. storočia) a jeden typ častíc – elektróny – existoval mimo jadra, obiehal okolo neho v r. obežných dráhach. Zdalo sa, že celá rozmanitosť vesmíru bola postavená z týchto troch častíc.
Žiaľ, takýto jednoduchý obraz sveta netrval dlho. Vedci, ktorí vybavili laboratóriá vo vysokých nadmorských výškach po celom svete, začali študovať zloženie kozmického žiarenia bombardujúceho našu planétu ( cm. Elementárne častice) a čoskoro začali objavovať najrôznejšie častice, ktoré nemali nič spoločné s vyššie opísanou idylickou triádou. Boli objavené najmä v prírode úplne nemysliteľné antičastice.
Svet antičastíc je akýmsi zrkadlovým obrazom sveta, ktorý poznáme. Hmotnosť antičastice sa presne rovná hmotnosti častice, ktorej sa zdá, že zodpovedá, ale všetky jej ostatné charakteristiky sú opačné ako u prototypu. Napríklad elektrón nesie záporný elektrický náboj a jeho spárovaná antičastica nesie a "pozitrón"(odvodené od „pozitívneho elektrónu“) - pozitívne. Protón má kladný náboj a antiprotón záporný náboj. A tak ďalej. Pri interakcii častice a jej antičasticového páru dochádza k ich vzájomnej anihilácii – obe častice prestanú existovať a ich hmotnosť sa premení na energiu, ktorá sa rozptýli v priestore vo forme záblesku fotónov a iných ultraľahkých častíc.
Existenciu antičastíc prvýkrát predpovedal Paul Dirac v článku, ktorý publikoval v roku 1930. Aby ste pochopili, ako sa častice a antičastice správajú v Diracových interakciách, predstavte si ploché pole. Ak vezmete lopatu a vykopete do nej jamu, na poli sa objavia dva predmety – samotná jama a kopa zeminy vedľa nej. Teraz si predstavme, že hromada pôdy je obyčajná častica a diera alebo „neprítomnosť hromady pôdy“ je antičastica. Vyplňte dieru zeminou, ktorá bola predtým z nej odstránená - a nezostane ani diera, ani hromada (analóg procesu ničenia). A opäť je pred vami rovné pole.
Kým prebiehalo teoretizovanie o antičasticiach, mladý experimentálny fyzik na Kalifornskom technologickom inštitúte, Carl David Anderson (1905-91), inštaloval zariadenie v astrofyzikálnom laboratóriu na Pike Summit v Colorade s úmyslom študovať kozmické žiarenie. Práca pod vedením Roberta Millikana ( cm. Millikanov experiment), vynašiel zariadenie na zaznamenávanie kozmického žiarenia, pozostávajúce z terča umiestneného v silnom magnetickom poli. Pri bombardovaní cieľa častice zanechali v komore okolo cieľa stopy kvapôčok kondenzátu, ktoré bolo možné odfotografovať a z výsledných fotografií študovať trajektórie častíc.
Pomocou tohto zariadenia, tzv kondenzačná komora, Anderson bol schopný detekovať častice vyplývajúce z kolízie kozmického žiarenia s cieľom. Podľa intenzity stopy, ktorú častica zanechala, mohol posúdiť jej hmotnosť a podľa povahy odchýlky jej trajektórie v magnetickom poli mohol určiť elektrický náboj častice. Do roku 1932 sa mu podarilo zaregistrovať sériu zrážok, ktorých výsledkom bolo vytvorenie častíc s hmotnosťou rovnajúcou sa hmotnosti elektrónu, ktoré sa však vplyvom magnetického poľa vychýlili v opačnom smere v porovnaní s elektrónom. mal teda kladný elektrický náboj. Takto bola po prvý raz experimentálne identifikovaná antičastica, pozitrón. Anderson publikoval svoje výsledky v roku 1932 a v roku 1936 za ne získal polovicu Nobelovej ceny za fyziku. (Druhú polovicu ceny získal rakúsky experimentálny fyzik Victor Franz Hess (1883-1964), ktorý prvýkrát experimentálne potvrdil existenciu kozmického žiarenia. - Poznámka prekladateľ.) Išlo o prvý (a zatiaľ posledný) prípad udelenia Nobelovej ceny vedcovi, ktorý v tom čase ešte ani nebol oficiálne uvedený ako člen vedeckého personálu svojej univerzity!
Hoci sa zdá, že vyššie uvedený príklad poskytuje dokonalú ilustráciu scenára predpovedného testu vedeckej metódy opísanej v Úvode, historická realita nie je taká jednoduchá, ako sa zdá. Faktom je, že Anderson zrejme nevedel absolútne nič o Diracovej publikácii pred jeho experimentálnym objavom. Takže v tomto prípade hovoríme skôr o súčasnom teoretickom a experimentálnom objave pozitrónu.
Všetky antičastice nasledujúce po pozitróne boli experimentálne objavené v laboratórnych podmienkach - na urýchľovačoch. Dnes majú experimentálni fyzici možnosť doslova ich vyrobiť v požadovanom množstve pre súčasné experimenty a antičastice už dávno nie sú považované za niečo výnimočné.
Pozri tiež:
1917, 1934 |
Jadrový rozpad a fúzia |
V roku 1928 Dirac publikoval prácu, ktorá ako prvá vysvetlila správanie elektrónu z hľadiska kombinácie princípov relativity a kvantovej mechaniky. Práve v tejto práci bola predpovedaná existencia antičastíc a Dirac za ňu dostal Nobelovu cenu za fyziku o niečo neskôr v roku 1933, pričom ju zdieľal s Erwinom Schrödingerom. |
Na základe kvantovej teórie je formulovaný princíp konjugácie náboja. Pre každú elementárnu časticu musí existovať antičastica.
Experimenty ukazujú, že až na pár výnimiek (napríklad fotón) skutočne každá častica má antičasticu.
Podľa kvantovej teórie majú častice a antičastice:
- - rovnaké hmotnosti;
- - rovnaká životnosť vo vákuu;
- - náboje rovnakej veľkosti, ale opačného znamienka;
- - identické spiny, ako aj identické iné kvantové čísla priradené elementárnym časticiam (v tomto návode nie sú zohľadnené).
Antičastice sú označené rovnakým symbolom ako častice, len s vlnovkou. Do roku 1956 sa verilo, že medzi časticami a antičasticami je úplná symetria, t.j. ak medzi časticami prebieha nejaký proces, potom medzi antičasticami musí byť presne rovnaký (s rovnakými charakteristikami) proces. V roku 1956 sa však dokázalo, že takáto symetria je charakteristická len pre silné a elektromagnetické interakcie a pre slabé interakcie je porušená.
Podľa kvantovej teórie by zrážka častice a antičastice mala viesť k ich vzájomnej anihilácii, v dôsledku čoho sa objavia ďalšie elementárne častice, prípadne fotóny. Príkladom toho je anihilačná reakcia elektrón-pozitrónového páru:
tie. Elektrón-pozitrónový pár sa zmení na dve y-kvantá a energia páru sa zmení na energiu fotónov. Vznik dvoch y-kvant v tomto procese vyplýva zo zákona zachovania hybnosti a energie. Uvažovaná reakcia je príkladom vzťahy medzi rôznymi formami hmoty: pri týchto procesoch sa hmota vo forme látky premieňa na hmotu vo forme elektromagnetického poľa a naopak.
Po tom, čo sa experimentálne potvrdila teoreticky predpokladaná existencia pozitrónu, vyvstala otázka o existencii antiprotónu a antineutrónu. Antiprotón bol skutočne objavený experimentálne (1955) pri rozptyle protónov (urýchlených na vtedy najväčšom synchrofazotróne na Kalifornskej univerzite) na nukleónoch cieľových jadier (cieľom bola meď), v dôsledku čoho vznikol pár rr. Antiprotón sa líši od protónu znakmi elektrického náboja a vlastného magnetického momentu.
O rok neskôr (1956) sa na tom istom urýchľovači podarilo získať antineutrón (A) a vykonať jeho anihiláciu (P sa od I líši znakom vlastného magnetického momentu). Ak je antiprotón stabilnou časticou, potom voľný antineutrón, ak neanihiluje, nakoniec podlieha rozpadu podľa schémy: 
Antičastice sa našli aj pre piony, kaóny atď. Existujú však častice, ktoré antičastice nemajú – ide o takzvané skutočne neutrálne častice. Patria sem fotón, m° -mezón a n° -mezón (jeho hmotnosť je 1074 ts,životnosť 7 10 -19 s; rozpadá sa za vzniku π-mezónov a γ-kvantov). Skutočné neutrálne častice nie sú schopné anihilácie, ale prechádzajú vzájomnými premenami, ktoré sú základnou vlastnosťou všetkých elementárnych častíc. Môžeme povedať, že každá zo skutočne neutrálnych častíc je totožná so svojou antičasticou.
Dôkaz o existencii antineutrín bol veľmi zaujímavý, no hľadanie odpovede na otázku, či sú neutrína a antineutrína totožné alebo rozdielne častice, spôsobilo vážne ťažkosti. Pomocou mnohých jemných experimentov sa však zistilo, že neutrína a antineutrína sú rôzne častice a tiež, že pár y e, ^ sú rôzne častice a pár h e, Y e nie je totožné s párom V V
Po objavení takého množstva antičastíc vyvstala na programe nová úloha – nájsť antijadrá, inak povedané dokázať existenciu antihmoty, ktorá je postavená z antičastíc, podobne ako hmota z častíc. Antijadrá boli skutočne objavené. Prvým antinukleom je antideuterón (viazaný stav R a I) - získala v roku 1965 skupina amerických fyzikov. Následne boli na Serpukhovovom urýchľovači syntetizované jadrá antihélia (1970) a antitrícia (1973).
V skutočnosti tvrdenie, že interakcia častíc a antičastíc vždy znamená zrod fotónov, nie je pravdivé ani vo vzťahu k elektrónom a pozitrónom. Voľný elektrón-pozitrónový pár anihiluje a vytvára elektromagnetické kvantá iba vtedy, ak jeho energia nie je príliš vysoká. Veľmi rýchle elektróny a pozitróny sú schopné generovať kladné a záporné pí-mezóny (alias pióny), plus a mínus mióny, protóny a antiprotóny a dokonca aj ťažšie častice – akurát dostatok energie. Z pomalých protónov a antiprotónov počas anihilácie vznikajú nabité a neutrálne pióny (a rýchle iné častice), ktoré sa rozpadajú na gama žiarenie, mióny a neutrína. V zásade môže kolízia medzi časticou a jej antikópiou viesť k akejkoľvek kombinácii častíc, ktoré nie sú zakázané princípmi symetrie a zákonmi zachovania. |
Môže sa zdať, že anihilácia sa nelíši od iných medzičasticových interakcií, no má jednu zásadnú vlastnosť. Aby stabilné častice, ako sú protóny či elektróny, pri stretnutí vygenerovali spŕšku exotických obyvateľov mikrokozmu, je potrebné ich správne rozptýliť. Pomalé protóny jednoducho zmenia svoju rýchlosť, keď sa stretnú, a tým to skončí. Ale keď sa protón a antiprotón priblížia, buď podstúpia elastický rozptyl a rozptýlia sa, alebo anihilujú a vytvoria sekundárne častice.
Všetko vyššie uvedené sa týka anihilácie voľných častíc. Ak je aspoň jeden z nich súčasťou kvantového systému, v princípe zostáva situácia rovnaká, ale alternatívy sa menia. Napríklad anihilácia voľného elektrónu a voľného pozitrónu nikdy nemôže vygenerovať len jedno kvantum – zákon zachovania hybnosti to neumožňuje. Toto je najjednoduchšie zistiť, ak pracujete v systéme stredu zotrvačnosti kolidujúceho páru - potom sa počiatočná hybnosť bude rovnať nule a preto sa v žiadnom prípade nemôže zhodovať s hybnosťou jediného fotónu, bez ohľadu na to, kam letí. . Ak sa pozitrón stretne s elektrónom, ktorý je súčasťou, povedzme, atómu vodíka, je možná aj jednofotónová anihilácia – v tomto prípade sa časť hybnosti prenesie na atómové jadro.
A ČO ANTIHROB?
Anglický fyzik Arthur Schuster veril, že antihmota je gravitačne odpudzovaná od bežnej hmoty, no moderná veda to považuje za nepravdepodobné. Z najvšeobecnejších princípov symetrie zákonov mikrosveta vyplýva, že antičastice by sa mali k sebe priťahovať gravitačnými silami, ako častice bez predpony „anti“. Otázka, aká je gravitačná interakcia častíc a antičastíc, ešte nie je úplne vyriešená, no odpoveď na ňu je takmer zrejmá.
Najprv sa pozrime na Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity. Je založený na princípe striktnej rovnosti gravitačných a zotrvačných hmôt a pre bežnú hmotu toto tvrdenie experimentálne potvrdili mnohé presné merania. Keďže zotrvačná hmotnosť častice sa presne rovná hmotnosti jej antičastice, zdá sa veľmi pravdepodobné, že aj ich gravitačné hmotnosti sú rovnaké. Je to však stále predpoklad, aj keď veľmi pravdepodobný, a nemožno ho dokázať pomocou všeobecnej teórie relativity.
 |
Ide o registráciu žiarenia s energiou charakteristickou pre anihiláciu, alebo priamu registráciu antičastíc podľa hmotnosti a náboja. Keďže antiprotóny a antihéliové jadrá nemôžu preletieť atmosférou, ich detekcia je možná len pomocou prístrojov vynesených do vysokých vrstiev atmosféry na balónoch, prípadne orbitálnych prístrojov, ako je magnetický alfa spektrometer AMS-01, dodaný na Mir. stanice v roku 1998, alebo jej výrazne vylepšený brat AMS-02 (na obrázku), ktorý začne svoju prácu na ISS. |
HLAVNÉ SPÔSOBY VYHĽADÁVANIA ANTIMATE |
Ďalší argument proti gravitačnému odpudzovaniu hmoty a antihmoty vyplýva z kvantovej mechaniky. Pripomeňme si, že hadróny (častice, ktoré sa zúčastňujú silných interakcií) sú tvorené kvarkami zlepenými gluónovými väzbami. Každý baryón sa skladá z troch kvarkov, zatiaľ čo mezóny pozostávajú z párových kombinácií kvarkov a antikvarkov, a nie vždy tých istých (mezón, ktorý zahŕňa kvark a vlastný antikvark, je skutočne neutrálnou časticou v tom zmysle, že je úplne identický na jeho antimezón). Tieto kvarkové štruktúry však nemožno považovať za absolútne stabilné. Protón je napríklad zložený z dvoch u-kvarkov, z ktorých každý nesie elementárny elektrický náboj +2/3 a jedného d-kvarku s nábojom -1/3 (preto má protón náboj + 1). Tieto kvarky však v dôsledku interakcie s gluónmi môžu na veľmi krátky čas zmeniť svoju povahu – najmä sa zmeniť na antikvarky. Ak sú častice a antičastice gravitačne odpudzované, hmotnosť protónu (a prirodzene aj neutrónu) by mala spôsobiť slabé oscilácie. Doteraz však žiadne laboratórium neobjavilo takýto účinok.
Niet pochýb o tom, že jedného dňa Experiment Jeho Veličenstva odpovie na túto otázku. Chce to len trochu – nahromadiť viac antihmoty a zistiť, ako sa správa v gravitačnom poli. Tieto merania sú však technicky neuveriteľne zložité a je ťažké predpovedať, kedy ich bude možné vykonať.
V ČOM JE TAKŽE ROZDIEL?
Po objavení pozitrónu boli po štvrťstoročie takmer všetci fyzici presvedčení, že príroda nerozlišuje medzi časticami a antičasticami. Presnejšie povedané, verilo sa, že akýkoľvek fyzikálny proces zahŕňajúci častice zodpovedá presne tomu istému procesu zahŕňajúcemu antičastice a oba sa vyskytujú s rovnakou pravdepodobnosťou. Dostupné experimentálne údaje ukázali, že tento princíp je pozorovaný pri všetkých štyroch základných interakciách – silnej, elektromagnetickej, slabej a gravitačnej.
A zrazu sa všetko dramaticky zmenilo. V roku 1956 americkí fyzici Li Zongdao a Yang Jenning publikovali prácu ocenenú Nobelovou cenou, v ktorej diskutovali o probléme, že dve zdanlivo identické častice, mezón theta a mezón tau, sa rozpadajú na rôzne počty pionov. Autori zdôraznili, že tento problém možno vyriešiť, ak predpokladáme, že takéto rozpady sú spojené s procesmi, ktorých povaha sa mení pri prechode sprava doľava, inými slovami, so zrkadlovým odrazom (o niečo neskôr si fyzici uvedomili, že vo všeobecnosti musíme hovoriť o odrazoch v každej z troch súradnicových rovín - alebo, čo je to isté, o zmene znamienok všetkých priestorových súradníc, priestorovej inverzii). To znamená, že proces zrkadlenia môže byť zakázaný alebo môže nastať s inou pravdepodobnosťou ako pred odrazom. O rok neskôr americkí experimentátori (patriaci do dvoch nezávislých skupín a pracujúci s rôznymi metódami) potvrdili, že takéto procesy naozaj existujú.
Toto bol len začiatok. Teoretickí fyzici zo ZSSR a USA si zároveň uvedomili, že narušenie zrkadlovej symetrie umožňuje narušiť symetriu týkajúcu sa nahradenia častíc antičasticami, čo bolo opakovane dokázané aj v experimentoch. Stojí za zmienku, že krátko pred Leem a Yangom, ale ešte v roku 1956, o možnosti prelomenia zrkadlovej symetrie diskutovali experimentálny fyzik Martin Block a veľký teoretik Richard Feynman, ale tieto úvahy nikdy nepublikovali.
 |
Počas jednej z posledných misií raketoplánu (STS-134) v roku 2010 bude na ISS dodaný nový vedecký prístroj – alfa magnetický spektrometer (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer). Jeho prototyp AMS-01 bol dodaný na palubu vesmírnej stanice Mir v roku 1998 a potvrdil funkčnosť konceptu. Hlavným cieľom vedeckého programu bude štúdium a meranie s vysokou presnosťou zloženia kozmického žiarenia, ako aj hľadanie exotických foriem hmoty - temnej hmoty, podivnej hmoty (častice obsahujúce podivné (s) kvarky), ako aj ako antihmota - najmä antihéliové jadrá . |
AMS NA ISS |
Fyzici tradične označujú zrkadlový odraz latinským písmenom P a nahradenie častíc ich antičasticami písmenom C. Obidve symetrie sa porušujú iba v procesoch zahŕňajúcich slabú interakciu, práve tú, ktorá je zodpovedná za beta rozpad atómových jadier. Z toho vyplýva, že práve vďaka slabým interakciám dochádza k rozdielom v správaní častíc a antičastíc.
Podivné porušenie zrkadlovej symetrie vyvolalo pokusy kompenzovať to niečím. Už v roku 1956 Lee a Yang a nezávisle Lev Landau naznačili, že príroda nerozlišuje medzi systémami, ktoré sa získavajú jeden od druhého spoločnou aplikáciou transformácií C a P (tzv. CP symetria). Z teoretického hľadiska vyzerala táto hypotéza veľmi presvedčivo a navyše dobre sedela s experimentálnymi údajmi. Avšak len o osem rokov neskôr výskumníci z Brookhaven National Laboratory zistili, že jeden z nenabitých K-mezónov (alebo kaónov, ako sa im tiež hovorí) sa môže rozpadnúť na pionový pár. Ak je symetria CP prísne dodržaná, takáto transformácia nie je možná - a preto táto symetria nie je univerzálna! Je pravda, že podiel zdanlivo zakázaných rozpadov nepresiahol 0,2 %, ale aj tak k nim dochádzalo! Tento objav priniesol vodcom tímu z Brookhavenu Jamesovi Croninovi a Val Fitchovi Nobelovu cenu za fyziku.
SYMETRIA A ANTIHMOTNOSŤ
Porušenie symetrie CP priamo súvisí s rozdielom medzi hmotou a antihmotou. Koncom 90. rokov CERN uskutočnil veľmi krásny experiment s neutrálnymi K 0 kaónmi, z ktorých každý pozostáva z kvarku d a masívnejšieho podivného antikvarku. Prírodné zákony umožňujú antikvarku stratiť časť svojej energie a zmeniť sa na anti-d. Uvoľnená energia môže viesť k rozpadu kaonu, ale je možné, že ju susedný d-kvark pohltí a zmení sa na zvláštny kvark. V dôsledku toho sa objaví častica pozostávajúca z anti-d kvarku a podivného kvarku, teda neutrálneho antikaonu. Formálne možno túto transformáciu opísať ako výsledok aplikácie transformácie CP na kaon!
Ak sa teda symetria CP dodržiava absolútne striktne, potom sa neutrálne kaóny K 0 transformujú na svoje antičastice s presne rovnakou pravdepodobnosťou, s akou prechádzajú spätnými transformáciami. Akékoľvek porušenie symetrie CP bude mať za následok zmenu jednej z týchto pravdepodobností. Ak pripravíme zväzok rovnakého počtu neutrálnych kaónov a antikaónov a vysledujeme dynamiku koncentrácie oboch častíc, môžeme zistiť, či ich kvantové oscilácie rešpektujú CP symetriu.
Presne to urobili fyzici v CERN-e. Zistili, že neutrálne antikaóny sa stávajú kaónmi o niečo rýchlejšie, ako sa menia na antikaóny. Inými slovami, bol objavený proces, pri ktorom sa antihmota mení na hmotu rýchlejšie ako hmota na antihmotu! V zmesi s pôvodne rovnakými dielmi hmoty a antihmoty sa časom vytvorí malý, no stále merateľný prebytok hmoty. Rovnaký účinok bol zistený v experimentoch s inými ťažkými neutrálnymi časticami - D 0 -mezónmi a B 0 -mezónmi.
Experimentátori teda do konca 20. storočia presvedčivo dokázali, že slabé interakcie ovplyvňujú častice a antičastice odlišne. Aj keď sú tieto rozdiely samy o sebe veľmi malé a odhalia sa len pri určitých premenách veľmi exotických častíc, všetky sú úplne skutočné. To znamená prítomnosť fyzickej asymetrie medzi hmotou a antihmotou.
Na dokončenie obrazu stojí za zmienku ešte jedna okolnosť. V 50. rokoch sa dokázalo najvýznamnejšie postavenie relativistickej kvantovej mechaniky – veta CPT. Uvádza, že častice a antičastice sú striktne symetrické vzhľadom na transformáciu CP, po ktorej nasleduje obrátenie času (prísne vzaté, táto veta platí iba bez zohľadnenia gravitácie, inak zostáva otázka otvorená). V dôsledku toho, ak nie je v niektorých procesoch dodržaná symetria CP, ich rýchlosť v smere „dopredu“ a „spätného“ smeru (to, čo sa považuje za jeden a druhý, je samozrejme vecou dohody), by nemala byť rovnaká. Presne to dokázali experimenty v CERN-e s neutrálnymi kaónmi.
KDE SÚ ANTI-SVETY?
V roku 1933 si bol Paul Dirac istý, že v našom vesmíre sú celé ostrovy antihmoty, o ktorých sa zmienil vo svojej Nobelovej prednáške. Moderní vedci sa však domnievajú, že v našej Galaxii ani mimo nej žiadne takéto ostrovy neexistujú. Samozrejme, antihmota ako taká existuje. Antičastice vznikajú pri mnohých vysokoenergetických procesoch – napríklad termonukleárne spaľovanie hviezdneho paliva a výbuchy supernov. Vznikajú v oblakoch zmagnetizovanej plazmy obklopujúcich neutrónové hviezdy a čierne diery, pri zrážkach rýchlych kozmických častíc v medzihviezdnom priestore, pri bombardovaní zemskej atmosféry kozmickým žiarením a napokon aj pri experimentoch s urýchľovačmi. Okrem toho je rozpad niektorých rádionuklidov sprevádzaný tvorbou antičastíc – konkrétne pozitrónov. Ale to všetko sú len antičastice a už vôbec nie antihmota. Doteraz sa nikomu nepodarilo odhaliť ani kozmické antihélium, nieto ešte ťažšie prvky. Neúspešné bolo aj hľadanie gama žiarenia so špecifickým spektrom spôsobeného anihiláciou na hraniciach kozmických zhlukov hmoty a antihmoty.
SVETOVÉ ALEBO PROTISVETOVÉ? |
Predstavme si, že letíme na medzihviezdnej lodi, ktorá sa blíži k planéte s inteligentným životom. Ako zistiť, z čoho sú naši bratia v mysli – hmota alebo antihmota? Môžeme poslať prieskumnú sondu, ale ak vybuchne v atmosfére, môžeme byť považovaní za vesmírnych agresorov, ako v sci-fi románe Krzysztofa Boruna Antiworld. Tomu sa dá vyhnúť použitím rovnakých neutrálnych kaónov a antikaónov. Ako už bolo spomenuté, sú schopné sa navzájom nielen premieňať, ale aj rozkladať, a to rôznymi spôsobmi. Pri takýchto rozpadoch môžu vznikať neutrína sprevádzané buď kladnými iónmi a elektrónmi, alebo zápornými iónmi a pozitrónmi. |
SVETOVÉ ALEBO PROTISVETOVÉ? |
Vo vedeckej literatúre sa periodicky objavujú správy o objave neštandardných primárnych zdrojov kozmických antičastíc neznámeho pôvodu. V apríli 2009 boli zverejnené údaje o záhadnom prebytku extrémne rýchlych pozitrónov detekovaných detektorovým komplexom PAMELA. Toto zariadenie sa nachádza na palube ruského satelitu Resurs-DK, vyslaného na nízku obežnú dráhu Zeme z kozmodrómu Bajkonur 15. júna 2006. Niektorí odborníci interpretovali tento výsledok ako možný dôkaz anihilácie hypotetických častíc temnej hmoty, no čoskoro sa objavilo menej exotické vysvetlenie. Túto hypotézu komentoval Veniamin Berezinsky, známy špecialista na kozmické žiarenie z Národného laboratória Gran Sasso, ktorý je súčasťou Talianskeho národného inštitútu jadrovej fyziky: „Štandardný model zrodu galaktického kozmického žiarenia spočíva na troch pozíciách za prvý a hlavný zdroj nabitých častíc sa považujú zvyšky supernov. Za druhý sa považujú zvyšky supernov. Ide o to, že častice sú urýchľované na ultrarelativistické rýchlosti na frontoch povýbuchových rázových vĺn a ich vlastného magnetického poľa. hrá veľmi veľkú úlohu v tomto zrýchlení. Tretím tvrdením je, že kozmické žiarenie sa šíri difúziou, že prebytok pozitrónov detekovaný komplexom PAMELA je celkom v súlade s týmto modelom, ktorý sa zráža s časticami kozmického plynu práve v tejto zóne ich zrýchlenia sa menia na kladné pióny, ktoré sa rozkladajú tvorbou pozitrónov a neutrín. Podľa Blasiho výpočtov môže tento proces produkovať presne takú koncentráciu pozitrónov, akú identifikovala PAMELA. Takýto mechanizmus na generovanie pozitrónov vyzerá úplne prirodzene, no z nejakého dôvodu to doteraz nikomu nenapadlo. Blasi tiež ukázal, že tie isté procesy by tiež mali generovať prebytok antiprotónov. Prierez na ich výrobu je však oveľa menší ako zodpovedajúca hodnota pre pozitróny, a preto ich možno detekovať len pri vyšších energiách. Myslím si, že časom to bude možné."
Vo všeobecnosti zatiaľ všetko nasvedčuje tomu, že vo vesmíre neexistujú žiadne antihviezdy, žiadne antiplanéty a dokonca ani najmenšie antimeteory. Na druhej strane konvenčné modely veľkého tresku tvrdia, že krátko po narodení náš vesmír obsahoval rovnaký počet častíc a antičastíc. Prečo teda prvé prežili a druhé zmizli?
