Частинки і античастинки - студопедія
Гіпотеза про античастинки вперше виникла в 1928 р коли П. Дірак на основі релятивістського хвильового рівняння передбачив існування позитрона (див. § 263), виявленого через чотири роки К. Андерсоном в складі космічного випромінювання.
Електрон і позитрон не є єдиною парою частка - античастинка. На основі релятивістської квантової теорії дійшли висновку, що для кожної елементарної частинки повинна існувати античастинка (принцип зарядового сполучення). Експерименти показують, що за деяким винятком (наприклад, фотона і p 0 -мезона), дійсно, кожній частинці відповідає античастинка.
Із загальних положень квантової теорії слід, що частинки і античастинки повинні мати однакові маси, однакові часи життя в вакуумі, однакові по модулю, але протилежні за знаком електричні заряди (і магнітні моменти), однакові спини і ізотопічні спини, а також однакові інші квантові числа , приписувані елементарних частинок для опису закономірностей їх взаємодії (лептонний заряд (див. § 275), баріонна число (див. § 275), дивина (див. § 274), чарівність (див. § 275) і т.д.). До 1956 р вважалося, що є повна симетрія між частинками і античастинками, т. Е. Якщо якийсь процес йде між частинками, то повинен існувати такий самий (з тими ж характеристиками) процес між античастинками. Однак в 1956 р доведено, що подібна симетрія характерна тільки для сильного і електромагнітного взаємодій і порушується для слабкого.
Відповідно до теорії Дірака, зіткнення частинки і античастинки повинно призводити до їх взаємної анігіляції, в результаті якої виникають інші елементарні частинки або фотони. Прикладом тому є розглянута реакція (263,3) анігіляції пари електрон - позитрон (-1 0 е + +1 0 е ® 2g).
Після того як передбачене теоретично існування позитрона було підтверджено експериментально, виникло питання про існування антипротона і антинейтрона. Розрахунки показують, що для створення пари частинка - античастинка треба затратити енергію, що перевищує подвоєну енергію спокою пари, оскільки частинкам необхідно повідомити вельми значну кінетичну енергію. Для створення р - р # 771;-пари необхідна енергія приблизно 4,4 ГеВ. Антипротон був дійсно виявлений експериментально (1955) при розсіянні протонів (прискорених на крупней їм в той час синхрофазотроні Каліфорнійського університету) на нуклонах ядер мішені (мішенню служила мідь), в результаті якого народжувалася пара р - р # 771 ;.
Антипротон відрізняється від протона знаками електричного заряду і власного магнітного моменту. Антипротон може аннигилировать не тільки з протоном, але і з нейтроном:
Роком пізніше (1956) на тому ж прискорювачі вдалося отримати антинейтрон (n # 771;) і здійснити його аннигиляцию. Антинейтрони виникали в результаті перезарядки антипротонів при їх русі через речовину. Реакція перезарядки р # 771; складається в про мене зарядів між нуклоном і антінуклонов і може протікати за схемами
Антинейтрон n # 771; відрізняється від нейтрона nзнаком власного магнітного моменту. Якщо антипротона - стабільні частинки, то вільний антинейтрон, якщо він не відчуває анігіляції, врешті-решт зазнає розпад за схемою
Античастинки були знайдені також для p + -мезона, каонов і гіперонів (див. § 274). Однак існують частинки, які античастинок не мають, - це так звані істинно нейтральні частинки. До них відносяться фотон, p ° мезон і # 951; мезон (його маса дорівнює 1074me. Час життя 7 × 10 -19 с; розпадається з утворенням p-мезонів і # 947; квантів). Істинно нейтральні частинки не здатні до анігіляції, але відчувають взаємні перетворення, є фундаментальним властивістю всіх елементарних частинок. Можна сказати, що кожна з істинно нейтральних частинок тотожна зі своєю античастинкою.
Великий інтерес і серйозні труднощі представляли доказ існування антинейтрино і відповідь на питання, чи є нейтрино і антинейтрино тотожними або різними частинками. Використовуючи потужні потоки антинейтрино, одержувані в реакторах (осколки поділу важких ядер відчувають # 946; розпад і, згідно (258.1), випускають антинейтрино), американські фізики Ф. Рейнес і К. Коуен (1956) надійно зафіксували реакцію захоплення електронного антинейтрино протоном:
Аналогічно зафіксована реакція захоплення електронного нейтрино нейтроном:
Таким чином, реакції (273.6) і (273.7) з'явилися, з одного боку, безперечним доказом того, що ve і v # 771; e. - реальні частки, а не фіктивні поняття, введені лише для пояснення # 946; розпаду, а з іншого - підтвердили висновок про те, що ve і v # 771; e - різні частинки.
Надалі експерименти по народженню і поглинанню мюонних нейтрино показали, що і vm і v # 771; m - різні частинки. Також доведено, що пара ve. vm - різні частинки, а пара ve. v # 771; e не тотожна парі vm. v # 771; m Згідно з ідеєю Б. М. Понтекорво (див. § 271), здійснювалася реакція захоплення мюонного нейтрино (виходили при розпаді p + ®m + + vm (271.1)) нейтронами і спостерігалися виникають частинки. Виявилося, що реакція (273.7) не йде, а захоплення відбувається за схемою
т. е. замість електронів в реакції народжувалися m - -мюони. Це і підтверджувало відмінність між ve і vm
За сучасними уявленнями, нейтрино і антинейтрино відрізняються один від одного однією з квантових характеристик стану елементарної частинки - спнральностью, яка визначається як проекція спина частки на напрям її руху (на імпульс). Для пояснення експериментальних даних припускають, що у нейтрино спин s орієнтований антипараллельно імпульсу р, т. Е. Напрямки р і s утворюють лівий гвинт і нейтрино володіє лівої спіралитостью (рис. 349, а). У антинейтрино напрямки р і s утворюють правий гвинт, т. Е. Антинейтрино володіє правою спнральностью (рис. 349, б). Це властивість справедливо в рівній мірі як для електронного, так і для мюонного нейтрино (антинейтрино).
Для того щоб спіральність могла бути використана в якості характеристики нейтрино (антинейтрино), маса нейтрино повинна дорівнювати нулю. Введення спіральності дозволило пояснити, наприклад, порушення закону збереження парності (див. § 274) при слабких взаємодіях, що викликають розпад елементарних частинок і # 946; розпад. Так, m - -мюону приписують праву спіральність, m + -мюону - ліву.
Після відкриття такого великого числа античастинок виникла нова задача - знайти антиядра, іншими словами, довести існування антиречовини, яке побудоване з античастинок, так само як речовина з частинок. Антиядра дійсно були виявлені. Перше антиядра - антідейтрон (зв'язаний стан р # 771; і n # 771; - було отримано в 1965 р групою американських фізиків під керівництвом Л. Ледермана. Згодом на Серпуховском прискорювачі були синтезовані ядра антигелія (1970) і антітрітія (1973).
Слід, однак, відзначити, що можливість анігіляції при зустрічі з частинками не дозволяє античастинок тривалий час існувати серед частинок. Тому для стійкого стану антиречовини воно повинно бути від речовини ізольовано. Якби поблизу відомої нам частини Всесвіту существоволо скупчення антиречовини, то мало б спостерігатися потужне анігіляційних випромінювання (вибухи з виділенням величезних кількостей енергії). Однак поки астрофізики нічого подібного не зареєстрували. Дослідження, що проводяться для пошуку антіядер (в кінцевому рахунку антиматерії), і досягнуті в цьому напрямку перші успіхи мають фундаментальне значення для подальшого пізнання будови речовини.