Античастицы

1. Из теории электрона, построенной в конце 20-х годов английским физиком П.Дираком, вытекало существование «антиэлектрона» - частицы с массой электрона, но с положительным зарядом. Ее назвали позитроном е+. Позитрон, предсказанный теоретически, в 1932 г. был зарегистрирован экспериментально в космическом излучении с помощью камеры Вильсона, помещенной в сильное магнитное поле. Знак его заряда был установлен по направлению искривления траектории, а значение массы – по радиусу кривизны и толщины трека.

2. Позитрон, как и электрон, сам по себе абсолютно стабилен. Но, встречаясь друг с другом, медленные электрон и позитрон аннигилируют («уничтожаются»), порождая два фотона:

е⁺ + е^- ® 2g.

Разумеется, никакого уничтожения материи здесь не происходит: один вид материи – заряженные частицы – переходит в другой вид материи – в нейтральные безмассовые частицы. Соответственно, энергия покоя электрона и позитрона превращается в энергию движущихся со скоростью света фотонов. Если аннигиляция происходит из состояния покоя, то фотоны разлетаются в противоположные стороны с одинаковыми импульсами и одинаковыми энергиями hv=m_ec²= 0,511 МэВ.

3. Часто (но не всегда) позитрон образуется совместно с электроном. Рождение пары (е⁺е^-) происходит при столкновении жесткого гамма-кванта с заряженной частицей, в качестве которой выступает атомное ядро Х:

g + Х ® Х + е⁺ + е^-.

Этот процесс возможен только при достаточно большой энергии фотона: hv>2m_ec²= 1,022 МэВ.

4. Не следует думать, что электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, всегда аннигилируют в два фотона. Так происходит лишь в том случае, когда в системе отсчета, связанной с их центром масс, кинетическая энергия не слишком велика. Если же электрон и позитрон движутся навстречу друг другу, обладая очень большими энергиями, то при их столкновении могут порождаться самые разнообразные частицы (вплоть до наиболее тяжелой – ипсилон-мезона). Использование встречных пучков электронов и позитронов – один из самых эффективных методов генерации новых частиц, и он широко применяется в современной физике высоких энергий.

5. Вскоре после предсказания, открытия и изучения свойств позитрона было высказано предложение о существовании в природе зарядовой симметрии: а) у каждой частицы должна быть своя античастица (иногда совпадающая с ней); б) законы природы не изменяются при замене всех частиц соответствующими античастицами и наоборот. Массы частицы и античастицы строго одинаковы, равны и их средние времена жизни. Если частица несет электрический заряд, то античастица имеет электрический заряд противоположного знака. Если частица электрически нейтральна, то античастица может отличаться от нее знаками других зарядов. Существует несколько частиц, называемых истинно нейтральными, которые совпадают со своими античастицами.

6. Античастица обозначается тем же символом, что и частица, но он снабжается тильдой (имеются исключения из этого правила: например, всегда пишут е⁺, а не .

7. Рассмотрим основные частицы. Наряду с протоном р и нейтроном n существуют антипротон и антинейтрон ñ, открытые в середине 50-х гг. Одним из основных различий между n и ñ является следующее: несмотря на то, что электрический заряд нейтрона равен нулю, он ведет себя подобно маленькому магнитику, т.е. обладает собственным магнитным моментом. У нейстрона вектор магнитного момента р_m и вектор спина J антипараллельны, и в этом смысле говорят, что магнитный момент нейтрона отрицателен. Антинейтрон также обладает магнитным моментом, но он положителен (векторы р_m и J параллельны).

Античастицей по отношению к электрону е^- является позитрон е⁺. Фотон – истинно нейтральная частица, т.е. совпадает с g.

У нейтрино v_e имеется антинейтрино , как раз и рождающееся в процессе обычного b-распада. Сами нейтрино v_e, участвуют в b₊-распадах, в термоядерных реакциях и в других процессах. У нейтрино спин направлен против импульса, у антинейтрино – вдоль импульса.

Античастицей по отношению к положительному пиону p⁺ служит отрицательный пион p^- (и наоборот). Незаряженный пион p⁰ – истинно нейтральная частица.

8. В принципе может существовать антивещество, состоящее из атомов, в ядра которых входит антипротоны и антинейтроны, а их оболочку образуют позитроны. Антивещество и обычное вещество должны аннигилировать с выделением колоссальной энергии. Сгустки антивещества космологических размеров составляли бы антимиры, но они не обнаружены в природе. Антивещество синтезировано лишь в лабораторных масштабах. Так, в 1969 г. в ССР впервые получены ядра антигелия.

9. Разделение всех микрообъектов на частицы и античастицы носит условный характер – эти понятия являются относительными, а не абсолютными. Например, р мы называем протоном, а - антипротоном только потому, что объектов первого типа в нашей Вселенной неизмеримо больше, чем объектов второго типа.