Krig av partiklar och antipartiklar. Krig mellan partiklar och antipartiklar Historien om upptäckten av antipartiklar

Antipartikelhypotesen uppstod först 1928, när P. Dirac, på basis av den relativistiska vågekvationen, förutspådde existensen av positronen (se § 263), upptäckt fyra år senare av K. Anderson som en del av kosmisk strålning.

En elektron och en positron är inte det enda paret av partiklar och antipartiklar. På basis av relativistisk kvantteori kom de fram till att för varje elementarpartikel måste det finnas en antipartikel (principen för laddningskonjugation). Experiment visar att, med några få undantag (till exempel fotonen och p 0 -meson), faktiskt, varje partikel motsvarar en antipartikel.

Det följer av kvantteorins allmänna bestämmelser att partiklar och antipartiklar måste ha samma massor, samma livslängder i vakuum, samma modul men motsatta i elektriska laddningar (och magnetiska moment), samma spinn och isotopiska spinn, och samma andra kvanttal. , tillskrivna elementarpartiklar för att beskriva lagarna för deras interaktion (leptontal (se § 275), baryonnummer (se § 275), konstighet (se § 274), charm (se § 275), etc.) . Fram till 1956 trodde man att det finns en fullständig symmetri mellan partiklar och antipartiklar, d.v.s. om någon process sker mellan partiklar, då måste det finnas exakt samma (med samma egenskaper) process mellan antipartiklar. Men 1956 bevisades det att en sådan symmetri är karakteristisk endast för de starka och elektromagnetiska interaktionerna och kränks för den svaga.

Enligt Diracs teori bör kollisionen mellan en partikel och en antipartikel leda till deras ömsesidiga förintelse, vilket resulterar i att andra elementarpartiklar eller fotoner uppstår. Ett exempel på detta är den övervägda reaktionen (263.3) av förintelsen av ett elektron-positronpar (-1 0 e+ + 1 0 e® 2g).

Efter att den teoretiskt förutspådda existensen av positronen bekräftats experimentellt, uppstod frågan om förekomsten av antiprotonen och antineutronen. Beräkningar visar att för att skapa ett partikel-antipartikelpar är det nödvändigt att förbruka energi som överstiger parets dubbla viloenergi, eftersom partiklarna måste tillföras en mycket betydande kinetisk energi. För att skapa ett p-p̃-par krävs en energi på cirka 4,4 GeV. Antiprotonen upptäcktes faktiskt experimentellt (1955) under spridningen av protoner (accelererade vid den då största synkrofasotronen vid University of California) av nukleoner av målkärnor (koppar tjänade som mål), vilket resulterade i ett p - p̃-par. född.

En antiproton skiljer sig från en proton i tecken på elektrisk laddning och sitt eget magnetiska moment. En antiproton kan förinta inte bara med en proton, utan också med en neutron:

(273.1) (273.2) (273.3)

Ett år senare (1956) lyckades samma accelerator få en antineutron (ñ) och genomföra dess förintelse. Antineutroner uppstod som ett resultat av laddningsutbytet av antiprotoner när de rörde sig genom materia. Laddningsutbytesreaktionen р̃ består i utbyte av laddningar mellan en nukleon och en antinukleon och kan fortgå enligt scheman

(273.4) (273.5)

Antineutronen skiljer sig från neutronen i sitt eget magnetiska moments tecken. Om antiprotoner är stabila partiklar, så genomgår en fri antineutron, om den inte upplever förintelse, så småningom sönderfall enligt schemat

Antipartiklar har också hittats för p + meson, kaoner och hyperoner (se § 274). Det finns dock partiklar som inte har antipartiklar - det är de så kallade riktigt neutrala partiklarna. Dessa inkluderar foton, p°-meson och η-meson (dess massa är 1074m e, livstid 7×10 -19 s; sönderfaller med bildandet av p-mesoner och γ-kvanta). Verkligen neutrala partiklar är inte kapabla till förintelse, men de upplever ömsesidiga transformationer, vilket är den grundläggande egenskapen hos alla elementarpartiklar. Vi kan säga att var och en av de verkligt neutrala partiklarna är identiska med sin antipartikel.

Av stort intresse och allvarliga svårigheter var beviset på förekomsten av antineutriner och svaret på frågan om neutriner och antineutriner är identiska eller olika partiklar. Med hjälp av kraftfulla flöden av antineutrinos erhållna i reaktorer (klyvningsfragment av tunga kärnor upplever β-sönderfall och, enligt (258.1), avger antineutriner), registrerade de amerikanska fysikerna F. Reines och C. Cowan (1956) på ett tillförlitligt sätt reaktionen med att fånga en elektron antineutrino av en proton:

På liknande sätt är reaktionen för infångning av en elektronneutrino av en neutron fixerad:

Därmed var reaktionerna (273,6) och (273,7) å ena sidan ett obestridligt bevis på att v e och ṽ e, är verkliga partiklar, och inte fiktiva begrepp som introducerats endast för att förklara β-sönderfall, och å andra sidan bekräftade slutsatsen att v e och ṽ e- olika partiklar.

Därefter visade experiment på produktion och absorption av muonneutriner det v m och ṽ m är olika partiklar. Det är också bevisat att paret v e, v mär olika partiklar, och paret v e, ṽ e inte samma sak som ett par v m, ṽ m Enligt idén från B. M. Pontecorvo (se § 271) utfördes muonneutrinoinfångningsreaktionen (erhållen under sönderfallet av p + ®m + + v m (271.1)) av neutroner och de resulterande partiklarna var observerade. Det visade sig att reaktionen (273,7) inte inträffar, och infångningen sker enligt schemat

d.v.s. istället för elektroner föddes m - -muoner i reaktionen. Detta bekräftade skillnaden mellan v e och vm

Enligt moderna begrepp skiljer sig neutriner och antineutriner från varandra i en av kvantegenskaperna hos en elementarpartikels tillstånd - spnality, definierad som projektionen av partikelns spinn på dess rörelseriktning (per momentum). För att förklara experimentella data antas det att neutrinospin s är orienterad antiparallellt med momentum p, dvs. p- och s-riktningarna bildar en vänsterskruvad skruv och neutrinon har en vänsterhänt helicitet (fig. 349, en ). För antineutrinos bildar p- och s-riktningarna en höger skruv, dvs. antineutrino har en höger ryggrad (Fig. 349, b). Denna egenskap är lika giltig för både elektron- och myonneutriner (antineutriner).

För att helicitet ska kunna användas som en egenskap hos neutrinos (antineutrinos) måste neutrinomassan antas vara noll. Införandet av helicitet gjorde det möjligt att förklara till exempel överträdelsen av paritetsvårdslagen (se § 274) vid svaga interaktioner som orsakar sönderfall av elementarpartiklar och β-sönderfall. Så, m - -myon tilldelas höger helicitet, m + -myon - vänster.

Efter upptäckten av ett så stort antal antipartiklar uppstod en ny uppgift - att hitta antinuklei, med andra ord att bevisa förekomsten av antimateria, som är byggd av antipartiklar, precis som materia från partiklar. Antikärnor har verkligen upptäckts. Den första antinukleus, antideuteronet (ett bundet tillstånd av p̃ och ñ), erhölls 1965 av en grupp amerikanska fysiker ledda av L. Lederman. Därefter syntetiserades antihelium (1970) och antitritium (1973) kärnor vid Serpukhov acceleratorn .

Det bör dock noteras att möjligheten till förintelse vid möte med partiklar inte tillåter antipartiklar att existera bland partiklar under en lång tid. Därför, för ett stabilt tillstånd av antimateria, måste den vara isolerad från materia. Om det fanns en ansamling av antimateria nära den del av universum som vi känner till, skulle kraftfull förintelsestrålning (explosioner med frigörande av enorma mängder energi) behöva observeras. Astrofysiker har dock inte registrerat något sådant än så länge. Forskning som utförs för att söka efter antikärnor (i slutändan antimateria), och de första framgångarna i denna riktning är av grundläggande betydelse för ytterligare kunskap om materiens struktur.

Vi är vana vid att använda anti- för att beteckna motsatta enheter. Till exempel är hjälten och antihjälten i en äventyrsfilm i en bitter kamp. Men i mikrokosmos är partikel och antipartikel inte helt motsatta varandra. En partikel och en antipartikel har samma massa, livslängd, spin, bara laddningen skiljer sig åt. Men allt är inte så enkelt här heller.

Vad är antipartiklar

Som regel, från skolbänken, förstår de flesta bara en elektrisk laddning som en laddning. Faktum är att om vi betraktar elektronen och dess antipartikel - positronen, så skiljer de sig exakt i den elektriska laddningen: elektronen har en negativ elektrisk laddning och positronen har en positiv. Men förutom elektromagnetiska finns det också gravitationella, starka och svaga interaktioner, som var och en har sina egna laddningar. Låt oss säga att en proton, som har en positiv elektrisk laddning, och en antiproton, som har en negativ elektrisk laddning, i en stark växelverkan får en baryonladdning (eller baryontal) lika med +1 för en proton och -1 för en antiproton . Därför, om det inte finns någon elektrisk laddning, till exempel, som i fallet med en neutron och en antineutron, skiljer sig de starkt interagerande partiklarna fortfarande i baryontalet, vilket är lika med +1 för en neutron och -1 för en antineutron.

Finns det situationer när både baryon- och elektriska laddningar är lika med noll? Ja, till exempel när det gäller mesoner. De består av en kvark och en antikvark, och per definition är deras baryonladdning noll. Tänk till exempel på elektriskt neutrala K-mesoner - fantastiska partiklar där kränkning av den kombinerade rumsliga och laddningspariteten upptäcktes. Det finns en K0-meson och en anti-K0-meson. De elektriska och baryonladdningarna för båda partiklarna är lika med noll. Varför betraktas de då som en partikel och en antipartikel? I det här fallet skiljer sig kvarksammansättningen av mesoner. K0-mesonen består av en anti-s-kvark och en d-kvark. Anti-K0-mesonen består tvärtom av en s-quark och en anti-d-quark. Den märkliga kvarken - s - har ett nytt kvantnummer eller laddning - märklighet. Konstigheten är olika för s- och anti-s-kvarkar, precis som baryonladdningen är olika för protoner och antiprotoner; d-quarks och d-antiquarks har sitt eget kvantnummer, liknande konstigheter. Dessa laddningar gör det möjligt att skilja mellan elektriskt och baryon-neutrala K0- och anti-K0-mesoner.

Det händer dock att partiklar och antipartiklar är identiska. Till exempel, φ-mesonen, som består av en anti-s-kvark och en s-kvark, och dess antipartikel, tvärtom, består av en s-kvark och en anti-s-kvark. Det visar sig att φ-mesonen är sin egen antipartikel. Faktum är att det finns många partiklar som liknar φ-mesonen. Den mest kända av dessa är förmodligen J/ψ-mesonen, som är uppbyggd av en charmkvark och en antikvark. Fotoner är också identiska med dem själva. Och bärare av svag interaktion - Z0-bosoner - också. Men det finns en elementarpartikel för vilken svaret på frågan om den är identisk med sig själv ännu inte har klarlagts. Denna partikel är en neutrino. Den deltar endast i svaga och gravitationella interaktioner. Gravitationsväxelverkan vid de energiskalor som för närvarande är tillgängliga spelar dock ingen roll. Därför kan vi säga att neutrinon endast deltar i svaga interaktioner. Det finns två tillvägagångssätt för att beskriva neutrinotillstånd i kvantfältteorin. Den första är den så kallade Dirac-metoden, där neutriner och antineutriner anses vara icke-identiska med varandra. Med andra ord, från teoretikers synvinkel liknar neutriner och antineutriner en elektron och en positron. Det andra är Majoranas tillvägagångssätt, där neutriner och antineutriner anses vara identiska med varandra. Valet till förmån för Majoranas koncept kan ges genom den experimentella observationen av neutrinolös dubbel beta-sönderfall av kärnor. Detta förfall är ett av de svåraste att observera experimentellt. För närvarande är denna process fortfarande inte upptäckt.

Historien om upptäckten av antipartiklar

Redan i antikens Grekland ställde gamla tänkare frågan om materiens grundläggande struktur. Enligt det vetenskapliga modet under dessa år letade grekerna efter primära element. Som ett resultat av dessa sökningar hade grekerna flera helt olika uppsättningar av primära element och till och med begreppet atomer som ett extravagant bihang. Men grekerna kunde inte göra ett val mellan olika uppsättningar, eftersom endast logiska argument inte räckte för valet, och nästan 2000 år återstod innan idén om att sätta upp ett avgörande experiment.

Först vid början av XVII-XVIII-talet bildades fysiken som en vetenskap, vars huvudsakliga drivkraft är experiment, och förblev så till första kvartalet av XX-talet. Det var de oväntade experimentella resultaten som gav impulser till framväxten av klassisk elektrodynamik, den speciella relativitetsteorin och kvantmekaniken.

Men 1928 förändrades allt. En enastående engelsk teoretisk fysiker, en av skaparna av kvantmekaniken, skrev Paul Dirac en relativistisk kvantekvation för partiklar med ett halvt heltalsspinn. Denna ekvation hade en viktig egenskap som Dirac inte lade in i den: om denna ekvation hade en lösning för partiklar med en negativ elektrisk laddning, så skulle en ytterligare lösning oundvikligen dyka upp för partiklar med en positiv laddning. I början av 1930-talet fanns det bara en känd partikel med ett halvt heltalsspinn och en negativ laddning - det var elektronen - och en partikel med ett halvheltalsspinn och en positiv laddning, och det var protonen. Först trodde fysiker att de två lösningarna i Dirac-ekvationen motsvarade dessa två partiklar. Men mycket snart bevisade den tyske matematikern Hermann Weyl att partiklar från Dirac-ekvationen med positiva och negativa laddningar måste ha samma massor. Och sedan var det ett problem, eftersom protonen är ungefär 2000 gånger tyngre än elektronen.

Det vill säga, Diracs teori förutspådde ett fundamentalt nytt faktum. I moderna termer förutspådde Paul Dirac antipartiklar. Bara till en början trodde ingen på dem, och Dirac själv kritiserades för en påstått felaktig ekvation. Och förgäves. Det har trots allt gått ett år sedan antipartiklar upptäcktes. Endast deras upptäckare, den begåvade sovjetiske experimentfysikern Dmitrij Vladimirovich Skobeltsyn, hade ingen aning om detta. Faktum är att han fascinerades av problemet som var relevant för den tiden: studiet av sammansättningen av kosmiska strålar, det vill säga partiklar som faller på jorden från rymden. För att mäta farten hos kosmiska strålpartiklar och deras laddning placerade Skobeltsyn en molnkammare - den senaste enheten för 1930-talet som registrerade spåren av laddade partiklar - i ett konstant magnetfält. I en sådan kammare bör positivt laddade partiklar som kommer från yttre rymden snurra i en riktning och negativa i den andra. Skobeltsyn observerade flera spår som liknade elektronspår, men som vred sig i motsatt riktning. Från höjden av modern kunskap förstår vi att sådana spår lämnades av positroner. Men forskaren föreslog att dessa spår lämnas av elektroner som flyger från jordens yta, där de bildas som ett resultat av naturlig radioaktivitet, och slutade vara intresserade av dessa spår.

Därför anses Karl Anderson vara världens första upptäckare av positroner. Den här briljanta amerikanska experimenteraren kände till Diracs teori och ville experimentellt testa existensen av "elektroner med en annan laddning". Anderson använde Skobeltsyns teknik med ett litet tillägg som gjorde den amerikanske experimentatorn till nobelpristagare: han placerade en blyplatta i en molnkammare. När en laddad partikel träffar en platta förlorar den en del av sin energi, dess rörelsemängd minskar och spårets krökning i ett magnetfält förändras. Genom att ändra spårets krökning kan man därför förstå från vilken sida av blyplattan partikeln kom in i kammaren. Detta var den information som Skobeltsyn inte hade för att upptäcka positronen. Det visade sig att partiklar vars spår liknar elektronernas spår, men vridna i motsatt riktning, flyger från rymden på samma sätt som vanliga elektroner. Anderson iscensatte sitt experiment 1932. Detta år anses vara året för upptäckten av antipartiklar och året från vilket teorin i partikelfysik började överträffa experimentet. Neutrinon, Higgs-bosonen, toppkvarken förutspåddes först av teoretiker. Ibland bekräftade experiment teorin efter ett halvt sekel, som till exempel var fallet med Higgs-bosonen.

Vi kan säga att vi på en ny nivå har återvänt till den situation som var i antikens Grekland: teoretiker erbjuder många nya grundläggande begrepp, precis som grekerna en gång föreslog olika uppsättningar av primära element. Först nu försöker experimentörer testa dessa koncept, om det finns en sådan teknisk möjlighet.

Hur är det med antiprotonen? Detta är den andra antipartikeln som upptäcktes av fysiker. Den upptäcktes 1955 vid en protonaccelerator av en grupp begåvade italienska fysikern Emilio Segre, som flydde från nazisterna till Amerika. Upptäckten belönades med Nobelpriset 1959. Nästan samtidigt med antiprotonen upptäcktes antineutronen.

Hundratals antipartiklar har nu upptäckts. Varje laddad partikel, inte nödvändigtvis med ett halvt heltalsspinn, har sin egen antipartikel. Nobelpris delas ut för upptäckten av antipartiklar. Och egenskapen hos en partikel och en antipartikel som upptäcktes av Anderson under interaktionen för att förvandlas till fotoner - för att förinta - gav upphov till ett av den moderna fysikens grundläggande mysterier - universums baryonsymmetri. Dirac-ekvationen har länge erkänts av alla fysiker och legat till grund för kvantfältteorin.

Från antipartiklar till antimateria

Om fysiker redan på 1960-talet kunde erhålla positroner, antiprotoner och antineutroner, så verkar det som om härifrån ett steg till syntesen av antimateria, såsom antiväte. Det finns dock stora svårigheter på vägen.

För att skapa antimateria atomer och molekyler räcker det inte att få fram deras byggstenar - antipartiklar. Dessa antipartiklar måste bromsas. Men, viktigast av allt, antimateria måste lagras i en värld som består av materia. Antipartiklar kan inte bara läggas i en låda: de kommer att förintas med lådans väggar. Om vi ​​vill bevara antipartiklar måste vi förvara dem i ett vakuum och i ett "kärl utan väggar". För laddade partiklar kan ett starkt inhomogent magnetfält användas som ett sådant kärl. Uppgiften att begränsa neutrala partiklar är mycket svårare, men med tiden löstes det också med hjälp av ett magnetfält. För närvarande hålls antiväte i magnetiska Penning-fällor i nästan 20 minuter.

Syntes av antimateria är logiskt att börja med syntes av antinuklei. Hittills har dock få framsteg gjorts i denna riktning. Endast antihelium-3, som består av två antiprotoner och en antineutron, och antihelium-4, som består av två antiprotoner och två antineutroner, har syntetiserats. (Observera att antihelium-3 syntetiserades vid Institutet för högenergifysik nära Moskva vid U-70-acceleratorn, som för närvarande är den högsta energipartikelacceleratorn i Ryssland.)

Ännu mindre framsteg har gjorts i syntesen av antiatomer. För närvarande har endast antiväteatomer syntetiserats. Enstaka atomer av antiväte syntetiserades vid European Centre for Particle Physics (CERN) först 1995. Det verkliga genombrottet kom 2002, då cirka 50 miljoner antiväteatomer syntetiserades. Sedan dess har CERN varit världsledande inom studier av antimaterias fysikaliska och kemiska egenskaper.

Antipartiklar och grundläggande naturlagar

I modern fysik spelar symmetrier en exceptionell roll. Inom kvantfältteorin är en av de viktigaste symmetrierna den så kallade CPT-symmetrin, det vill säga symmetrin med avseende på den samtidiga ersättningen av alla laddningar med motsatt ©, spegelreflektionen av rymden (P) och tidens omkastning (T). Man tror att endast CPT-symmetriska teorier kan realiseras i naturen. CPT-symmetri innebär många egenskaper som partiklar och antipartiklar måste lyda, till exempel jämlikheten mellan massorna av båda. I dagsläget är det intressant hur inte så mycket enskilda antipartiklar beter sig, utan mer komplexa antiobjekt, som kärnor och atomer. Till exempel undersöker CERN aktivt de spektroskopiska egenskaperna hos antiväteatomer. CPT-symmetri kräver att dessa egenskaper är exakt desamma som för väteatomen. Dessutom måste en antiväteatom falla i jordens gravitationsfält på exakt samma sätt som en väteatom. Och ett sådant experiment genomförs nu på CERN. Så CERN är inte bara Large Hadron Collider och Higgs boson. Detta är också ett test av naturens grundläggande symmetrier. För att förstå världen omkring oss är dessa symmetrier ännu viktigare än Higgs-bosonen. Hittills har experiment inte kunnat hitta ett enda tecken på brott mot CPT-symmetrin.

Låt oss nu se oss omkring och ställa oss en annan naturlig fråga: varför är vi bara omgivna av materia? Och var försvann antimateria från vår värld? Detta problem kallas universums baryonasymmetri. Från CPT-satsen är det naivt att förvänta sig att det fanns lika mycket materia som antimateria efter Big Bang. Detta innebär att förr eller senare global förintelse kan inträffa. Och endast nästan icke-interagerande enstaka fotoner kommer att rusa genom det livlösa universum.

Gåtan med baryonasymmetri har ännu inte lösts. Flera svar kan erbjudas här. Till exempel består vårt solsystem av materia, medan ett annat stjärnsystem som ligger långt ifrån vårt består av antimateria. Men då är det inte klart, av vilka skäl, istället för förintelse, föredrog materia och antimateria att separera i rymden? Och astronomer observerar inte stjärnornas antivärldar.

En annan idé föreslogs 1967 av den sovjetiske akademikern, Nobels fredspristagare Andrei Dmitrievich Sacharov. Han föreslog att baryonnumret - samma som vi pratade om i början av den här artikeln - kränks, och drog dessutom på det experimentella faktumet att den kombinerade laddningen © och rumslig (P) paritet kränktes. Då kan instabila partiklar sönderfalla något annorlunda än instabila antipartiklar. Och detta visar sig vara tillräckligt för att det i slutändan finns lite mer materia än antimateria. Resten av saken och antimateria tillintetgjorda. Och alla föremål i universum består av ett litet överskott av materia. För närvarande har Sacharovs teori kompletterats och utvecklats. Men huvudtanken har förblivit oförändrad.

På antimateria till stjärnorna

Det skulle inte vara en överdrift att säga att mänskligheten drömmer om att flyga till stjärnorna. Men även till närmaste stjärna, Proxima Centauri, tar ljuset från solen mer än tre år. Resten av stjärnorna är långt borta. Fantasister övervinner lätt sådana gigantiska avstånd med hjälp av rum-tidstunnlar, hyperdrifter, den tionde dimensionen och andra bekväma, men tyvärr bara imaginära transportsätt. I den verkliga världen skulle de första stjärnutforskarnas rymdskepp behöva röra sig i samma rymd som ljuset, och helst med en hastighet nära ljusets hastighet. Samtidigt vill vi att en sådan rymdfarkost ska ha minsta möjliga massa. I den här situationen finns det inget bättre bränsle än antimateria för en rymdfarkost. Faktum är att hela bränslemassan under förintelsen förvandlas till fotoner som flyger ut ur munstycket med ljusets hastighet. Fotoner måste accelerera rymdfarkosten till mycket höga hastigheter, som är bråkdelar av ljusets hastighet. Det betyder att flygningen till Proxima Centauri kan ta, säg, trettio år. Detta är mycket, men stjärnutforskarna kommer att ha tid att återvända till jorden inom en generations liv. Vad kommer härnäst? Det kan vara som i science fiction på 1950- och 1960-talen: rymdpiloter, nästan ålderlösa på grund av tvillingparadoxen, och flickor som väntar på dem på jorden i kryogena kammare. Kosmisk romantik från det gyllene sextiotalet eller hård vardag på tvåtusenfemtiotalet? Men allt började med den ovanliga Dirac-ekvationen, som oundvikligen måste ha två lösningar, och Karl Anderson, som gissade att sätta in en blyplatta i molnkammaren.

Det fanns ingen anledning att anta att förekomsten av en positron, eller, som det är bättre att kalla det nu, en antielektron, är en egenskap hos små partiklar. Trots ett antal specifika egenskaper utvecklas teorin om interaktion mellan nukleoner i samma linje som teorin om interaktion mellan elektroner. I de flesta teoretiska artiklar antas det att nukleoner bör beskrivas med ekvationer som är ganska lika Dirac-ekvationerna för elektroner. Om så är fallet, bör man för nukleoner förvänta sig förekomsten av antipartiklar som finns i desamma

förhållande till protonen och neutronen, där positronen och elektronen finns. Erfarenheten har visat att det är precis så för protonen. Lite senare upptäcktes också antineutronen, som skiljer sig från neutronen i det magnetiska momentets riktning (för en neutron är det magnetiska momentet och rotationsmomentvektorn antiparallella, och för en antineutron är de parallella).

Ris. 246. (se skanna)

Upptäckten av antiprotonen visar giltigheten av den allmänna idén - fältets oskiljaktiga samband med partiklar. Precis som ett par positroner -

en elektron kan ett proton-antiprotonpar uppstå genom att en nukleon överförs från ett tillstånd av negativ energi till ett tillstånd med positiv energi. För detta ändamål krävs inte mindre energi än. Detta är en enorm energi, 1840 gånger större än energin som behövs för att skapa ett elektron-positronpar. Miljarder elektronvoltsacceleratorer behövdes för att göra upptäckten av antiprotonen möjlig.

När en proton möter en antiproton kommer de att förintas. Eftersom nukleoner överför energi genom mesonfältet, under förintelsen kommer deras massa och energi att ges till kvantorna av detta fält - mesoner.

Det råder ingen tvekan om att denna process kommer att studeras i detalj under de kommande åren.

På fig. 246 visar ett fotografi av förintelsen av en proton och en antiproton. Processen observerades i en bubbelkammare fylld med flytande propan. Processdiagrammet visas uppe till vänster.

Överväganden om behovet av antipartiklars existens gäller även neutriner. "Spegelbilden" kallas en antineutrino. Skillnaden mellan partiklarna som utgör dubbletten är densamma som för neutronen och antineutronen.

I form av en dubblett finns det också myoner, liksom andra elementarpartiklar, som vi inte pratade om.

Muoner är en triplett: muonen förekommer i form av sorter med plus- och minusladdningar, såväl som med en laddning lika med noll. Till skillnad från neutronen och neutrinon kan en spinless neutral myon inte ha en antipartikel (man kan också säga: den sammanfaller med dess antipartikel). En annan partikel som inte har en "reflektion" är en foton.

- tvillingar av vanliga elementarpartiklar, som skiljer sig från de senare genom tecknet på den elektriska laddningen och tecknen på några andra egenskaper. Partiklar och antipartiklar har samma massor, spinn och livslängder. Om partikeln också kännetecknas av andra interna kvantegenskaper som har ett tecken, så har antipartikeln samma värden för dessa egenskaper, men tecknen är motsatta. Om partikeln är instabil (upplever sönderfall), är antipartikeln också instabil, och deras livslängder sammanfaller och metoderna för sönderfall sammanfaller (upp till ersättning i sönderfallsscheman av partiklar till antipartiklar).
Vanlig materia består av protoner (p), neutroner (n) och elektroner (e -). Antimateria består av deras antipartiklar - antiprotoner (), antineutroner () och antielektroner (positroner e +). Valet av vilka partiklar som ska betraktas som partiklar och vilka som antipartiklar är villkorat och bestäms av bekvämlighetsöverväganden. Antipartikeln av en antipartikel är en partikel. När en partikel och en antipartikel kolliderar försvinner de (förintar) och förvandlas till gammakvanta.
I vissa fall (till exempel en foton eller π 0 -meson, etc.) sammanfaller partikeln och antipartikeln fullständigt. Detta beror på det faktum att fotonen och π 0 -mesonen inte har en elektrisk laddning och andra inre egenskaper med ett tecken.

Karakteristisk	Partikel	Antipartikel
Vikt	M	M
Elektrisk laddning	+(-)Q	-(+)Q
Snurra	J	J
Magnetiskt ögonblick	+(-)μ	-(+)μ
baryonnummer	+B	-B
Lepton nummer	+L e, +L μ, +L τ	-L e, -L μ , -L τ
Konstighet	+(-)s	-(+)s
Charm	+(-)c	-(+)c
botten	+(-)b	-(+)b
topphet	+(-)t	-(+)t
Isospin	jag	jag
Isospin projektion	+(-)I 3	-(+)I 3
Paritet	+(-)	-(+)
Livstid	T	T
Förfallsschema		laddningskonjugat

Antimateria består av antipartiklar - antiprotoner, antineutroner och antielektroner - positroner e+. Partiklar och antipartiklar är lika. Valet av vilka partiklar som ska betraktas som partiklar och vilka som antipartiklar är villkorat och bestäms av bekvämlighetsöverväganden. I den observerbara delen av universum består materia av negativt laddade elektroner, positivt laddade protoner och neutroner.
När en elektron och en positron kolliderar försvinner (förintar de) och förvandlas till gammakvanta. Under förintelsen av starkt interagerande partiklar, till exempel en proton och en antiproton, bildas flera mesoner π + , π - , π 0 , K + , K - , K 0.

Faktum är att påståendet att interaktionen mellan partiklar och antipartiklar alltid medför skapandet av fotoner är falskt även med avseende på elektroner och positroner. Ett fritt elektron-positronpar förintas med bildandet av elektromagnetiska kvanta endast om dess energi inte är för hög. Mycket snabba elektroner och positroner är kapabla att generera positiva och negativa pi-mesoner (de är också pioner), plus- och minus-myoner, protoner och antiprotoner, och till och med tyngre partiklar - bara energi skulle räcka. Långsamma protoner och antiprotoner under förintelse ger upphov till laddade och neutrala pioner (och snabba till andra partiklar), som sönderfaller till gammakvanta, myoner och neutriner. I princip kan kollision mellan en partikel och dess antikopia resultera i vilken som helst av kombinationerna av partiklar som inte är förbjudna enligt principerna om symmetri och bevarandelagar.

Det kan tyckas att förintelse inte skiljer sig från andra interpartikelinteraktioner, men det har en grundläggande egenskap. För att stabila partiklar, såsom protoner eller elektroner, ska ge upphov till en dusch av exotiska invånare i mikrokosmos när de möts, måste de spridas ordentligt. Långsamma protoner kommer helt enkelt att ändra sin hastighet när de möts - detta kommer att vara slutet på saken. Men protonen och antiprotonen, som närmar sig, genomgår antingen elastisk spridning och sprids, eller förintar och producerar sekundära partiklar.

Allt ovanstående hänvisar till förintelsen av fria partiklar. Om åtminstone en av dem är en del av ett kvantsystem förblir situationen i princip densamma, men alternativen förändras. Till exempel kan förintelsen av en fri elektron och en fri positron aldrig ge upphov till bara ett kvantum - lagen om bevarande av momentum tillåter inte. Detta är lättast att se om du arbetar i systemet med tröghetscentrum för det kolliderande paret - då blir det initiala rörelsemängdet lika med noll och kan därför inte sammanfalla med rörelsemängden för en enskild foton, oavsett var den flyger. Om en positron möter en elektron som till exempel är en del av en väteatom är en-fotonförintelse också möjlig - i det här fallet kommer en del av rörelsemängden att överföras till atomkärnan.

VAD ÄR MED ANTIGRAV?

Den engelske fysikern Arthur Schuster trodde att antimateria var gravitationsmässigt stött bort av vanlig materia, men modern vetenskap anser att detta är osannolikt. Av de mest allmänna principerna för symmetri av mikrovärldens lagar, följer att antipartiklar bör attraheras till varandra av gravitationen, som partiklar utan prefixet "anti". Frågan om vad som är gravitationsinteraktionen mellan partiklar och antipartiklar är ännu inte helt löst, men svaret på den är nästan självklart.
Låt oss börja med Einsteins allmänna relativitetsteori. Den är baserad på principen om strikt jämlikhet mellan gravitations- och tröghetsmassor, och för vanlig materia har detta uttalande experimentellt bekräftats av många mycket exakta mätningar. Eftersom en partikels tröghetsmassa är exakt lika med massan av dess antipartikel, verkar det mycket troligt att deras gravitationsmassor också är lika. Detta är dock fortfarande ett antagande, om än ett mycket rimligt sådant, och det kan inte bevisas med hjälp av allmän relativitet.

Detta är registreringen av strålning med en energi som är karakteristisk för annihilation, eller den direkta registreringen av antipartiklar efter massa och laddning. Eftersom antiprotoner och antiheliumkärnor inte kan flyga genom atmosfären kan de bara upptäckas med hjälp av instrument som lyfts upp i atmosfärens höga lager på ballonger, eller orbitala instrument, som AMS-01 magnetiska alfaspektrometer som levereras till Mir-stationen 1998, eller dess mycket förbättrade motsvarighet AMS-02 (bilden), som kommer att påbörja sitt arbete på ISS.

HUVUDSAKLIGA SÄTT ATT SÖKA EFTER ANTIMATERI

Ett annat argument mot gravitationsrepulsion mellan materia och antimateria följer av kvantmekaniken. Kom ihåg att hadroner (partiklar som deltar i starka interaktioner) består av kvarkar som limmas ihop av gluonbindningar. Varje baryon består av tre kvarkar, medan mesoner består av parade kombinationer av kvarkar och antikvarkar, och inte alltid desamma (en meson, som inkluderar en kvark och sin egen antikvark, är en verkligt neutral partikel i den meningen att den är helt identisk med dess forntid). Dessa kvarkstrukturer kan dock inte anses vara absolut stabila. En proton, till exempel, är sammansatt av två u-kvarkar, som var och en bär en elementär elektrisk laddning på +2/3, och en d-kvark med en laddning på -1/3 (därför är protonens laddning +1 ). Men dessa kvarkar, som ett resultat av interaktion med gluoner, kan förändra sin natur under en mycket kort tid - i synnerhet kan de förvandlas till antikvarkar. Om partiklar och antipartiklar stöter bort varandra genom gravitation, bör vikten av protonen (och naturligtvis även neutronen) svänga något. Men hittills har ingen sådan effekt hittats i ett enda laboratorium.

Det råder ingen tvekan om att His Majesty Experiment en dag kommer att svara på denna fråga. Vi behöver lite - att ackumulera mer antimateria och se hur den beter sig i det terrestra gravitationsfältet. Men tekniskt sett är dessa mätningar otroligt komplexa, och det är svårt att förutsäga när de kommer att kunna implementeras.

SÅ VAD ÄR SKILLNADEN?

Efter upptäckten av positronen i ett kvarts sekel var nästan alla fysiker säkra på att naturen inte skiljer mellan partiklar och antipartiklar. Mer specifikt trodde man att varje fysisk process som involverar partiklar motsvarar exakt samma process som involverar antipartiklar, och båda utförs med samma sannolikhet. Tillgängliga experimentella data vittnade om att denna princip observeras för alla fyra grundläggande interaktioner - stark, elektromagnetisk, svag och gravitation.
Och på en gång förändrades allt dramatiskt. 1956 publicerade de amerikanska fysikerna Li Jundao och Yang Jenning en Nobelprisvinnande artikel där de diskuterade svårigheten med att två till synes identiska partiklar, theta meson och tau meson, förmultnar till olika antal pioner. Författarna betonade att detta problem kan lösas om vi antar att sådana sönderfall är förknippade med processer vars karaktär förändras när man går från rätt till sval, med andra ord med spegelreflektion (lite senare insåg fysiker att vi generellt sett behöver att tala om reflektioner i vart och ett av de tre koordinatplanen - eller, vad är detsamma, om förändringen av tecken för alla rumsliga koordinater, rumslig inversion). Det innebär att den speglade processen kan förbjudas eller inträffa med en annan sannolikhet än före speglingen. Ett år senare bekräftade amerikanska försöksledare (som tillhör två oberoende grupper och arbetar med olika metoder) att sådana processer existerar.
Det här var bara början. Samtidigt insåg teoretiska fysiker från Sovjetunionen och USA att kränkningen av spegelsymmetri möjliggör kränkningen av symmetri med avseende på ersättning av partiklar med antipartiklar, vilket också upprepade gånger bevisades i experiment. Det är värt att notera att inte långt före Lee och Yang, men ändå samma år 1956, diskuterades möjligheten att bryta spegelsymmetri av experimentfysikern Martin Block och den store teoretikern Richard Feynman, men de publicerade aldrig dessa överväganden.

Under ett av de sista skytteluppdragen (STS-134) 2010 kommer ett nytt vetenskapligt instrument, Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer), att levereras till ISS. Dess AMS-01-prototyp levererades ombord på rymdstationen Mir 1998 och bekräftade konceptets prestanda. Huvudmålet för det vetenskapliga programmet kommer att vara att studera och mäta med hög precision sammansättningen av kosmiska strålar, samt att söka efter exotiska former av materia - mörk materia, konstig materia (partiklar som innehåller konstiga (s) kvarkar), som såväl som antimateria - i synnerhet antiheliumkärnor.

AMS TILL ISS

Fysiker betecknar traditionellt spegelreflektion med den latinska bokstaven P, och ersättning av partiklar med deras antipartiklar med bokstaven C. Båda symmetrierna kränks endast i processer som involverar den svaga interaktionen, den som är ansvarig för atomkärnors beta-sönderfall. Av detta följer att det är på grund av svaga interaktioner som det finns skillnader i beteendet hos partiklar och antipartiklar.
En märklig kränkning av spegelsymmetri väckte liv i försök att kompensera för det på något sätt. Redan 1956 föreslog Lee och Yang, och oberoende Lev Landau, att naturen inte skiljer mellan system som erhålls från varandra genom att gemensamt tillämpa transformationerna C och P (den så kallade CP-symmetrin). Ur teorisynpunkt såg denna hypotes mycket övertygande ut och passade dessutom bra med experimentdata. Men bara åtta år senare upptäckte anställda vid Brookhaven National Laboratory att en av de oladdade K-mesonerna (eller, som de också kallas, kaoner) kan förfalla till ett pionpar. Med strikt anslutning till CP-symmetri är en sådan transformation omöjlig - och därför är denna symmetri inte universell! Det är sant att andelen förmodat förbjudna sönderfall inte översteg 0,2%, men de ägde fortfarande rum! Upptäckten gav Brookhavens teamledare James Cronin och Val Fitch Nobelpriset i fysik.

SYMMETRI OCH ANTIMATERI

Brott mot CP-symmetri är direkt relaterade till skillnaden mellan materia och antimateria. I slutet av 1990-talet gjordes ett mycket vackert experiment på CERN med K 0 neutrala kaoner, som var och en består av en d-kvark och en mer massiv märklig antikvark. Naturlagarna tillåter antikvarken att förlora en del av sin energi och förvandlas till ett anti-d. Den frigjorda energin kan användas för att sönderfalla kaon, men det är möjligt att den närliggande d-kvarken kommer att absorbera den och förvandlas till en konstig kvark. Som ett resultat av detta kommer en partikel att dyka upp, bestående av en anti-d-kvark och en märklig kvark, det vill säga en neutral antikaon. Formellt kan denna transformation beskrivas som resultatet av att tillämpa CP-transformationen på kaonen!
Således, om CP-symmetrin observeras absolut strikt, omvandlas de neutrala kaonerna K 0 till sina antipartiklar med exakt samma sannolikhet som de genomgår omvända transformationer. Varje brott mot CP-symmetri kommer att innebära en förändring av en av dessa sannolikheter. Om vi ​​förbereder en stråle med lika många neutrala kaoner och antikaoner och följer dynamiken i koncentrationen av båda partiklarna, kan vi ta reda på om deras kvantoscillationer respekterar CP-symmetri.

Detta är precis vad CERN-fysiker har gjort. De fann att neutrala antikaoner blir kaoner lite snabbare än de förvandlas till antikaoner. Med andra ord upptäcktes en process under vilken antimateria förvandlas till materia snabbare än materia till antimateria! I en blandning med initialt lika delar av materia och antimateria bildas med tiden till och med ett litet men ändå mätbart överskott av materia. Samma effekt avslöjades i experiment med andra tunga neutrala partiklar - Do-mesoner och Bo-mesoner.
Sålunda, i slutet av 1900-talet, hade försöksledare på ett övertygande sätt bevisat att svaga interaktioner har olika effekter på partiklar och antipartiklar. Även om dessa skillnader är mycket små i sig och bara kommer fram i samband med vissa omvandlingar av mycket exotiska partiklar, är de alla ganska verkliga. Detta innebär förekomsten av fysisk asymmetri mellan materia och antimateria.
För att komplettera bilden bör ytterligare en omständighet noteras. På 1950-talet bevisades den relativistiska kvantmekanikens viktigaste påstående, CPT-satsen. Den säger att partiklar och antipartiklar är strikt symmetriska med avseende på CP-transformationen följt av tidsomkastning (strängt taget är detta teorem sant endast utan att ta hänsyn till gravitationen, annars förblir frågan öppen). Därför, om CP-symmetri inte respekteras i vissa processer, bör deras hastighet i "framåt" och "bakåt" riktningarna (vad man ska tänka på eftersom båda, naturligtvis är en överenskommelse) inte vara densamma. Detta är precis vad experimenten vid CERN med neutrala kaoner visade.

VAR ÄR ANTI-VÄRLDEN?

1933 var Paul Dirac säker på att det i vårt universum finns hela öar av antimateria, som han nämnde i sin Nobelföreläsning. Men moderna forskare tror att det inte finns några sådana öar varken i vår galax eller bortom. Naturligtvis finns antimateria som sådan. Antipartiklar genereras av många högenergiprocesser - säg termonukleär förbränning av stjärnbränsle och supernovaexplosioner. De uppstår i magnetiserade plasmamoln som omger neutronstjärnor och svarta hål, under kollisioner av snabba kosmiska partiklar i det interstellära rymden, när jordens atmosfär bombarderas av kosmiska strålar, och slutligen i acceleratorexperiment. Dessutom åtföljs sönderfallet av vissa radionuklider av bildandet av antipartiklar - nämligen positroner. Men allt detta är bara antipartiklar, och inte på något sätt antimateria. Hittills har ingen kunnat upptäcka ens kosmiskt antihelium, än mindre tyngre grundämnen. Sökandet efter gammastrålning med ett specifikt spektrum, orsakat av förintelse vid gränserna för kosmiska kluster av materia och antimateria, misslyckades också.

VÄRLD ELLER ANTI-VÄRLD?

Låt oss föreställa oss att vi flyger på ett interstellärt skepp som närmar sig en planet med intelligent liv. Hur tar man reda på vad våra bröder i åtanke är gjorda av - materia eller antimateria? Du kan skicka en spaningssond, men om den exploderar i atmosfären kan vi betraktas som rymdangripare, som i Krzysztof Boruns science fiction-roman Antiworld. Detta kan undvikas genom att använda samma neutrala kaoner och antikaoner. Som redan nämnts kan de inte bara förvandlas till varandra, utan också att sönderfalla och på olika sätt. I sådana sönderfall kan neutriner produceras tillsammans med antingen positiva pioner och elektroner eller negativa pioner och positroner. På grund av asymmetrin mellan materia och antimateria är hastigheten för sådana reaktioner något annorlunda. Denna omständighet kan användas som "lackmuspapper". För att testa en planet för antimaterialitet är det lämpligt att inte ta rena kaoner och antikaoner, utan deras blandade tillstånd; de betecknas som K S och K L (S - kort och L - lång). Faktum är att i L-tillståndet är livslängden för en partikel 570 gånger längre än i S-tillståndet (5,12 x 10 -8 s mot 8,95 x 10 -11 s). I den långlivade versionen av kaoner är symmetrin mellan materia och antimateria mycket starkare - för varje 10 000 sönderfall av den önskade typen producerar cirka 5015 positroner och 4985 elektroner. Förresten, det historiska experimentet med Cronin och Finch gjordes också på K-mesons. Låt oss nu börja konversationen. Kaoner har en karaktäristisk massa något mer än hälften av en protons massa. Låt oss förklara för bröderna i åtanke att vi behöver en instabil neutral partikel, vars massa är något större än massan av kärnan i de enklaste atomerna. Utomjordiska fysiker kommer att göra K-mesoner och bestämma egenskaperna hos deras sönderfall. Vi kommer att fråga om tecknet på den elektriska laddningen för den lättaste av de laddade partiklarna, som genereras i dessa sönderfall lite oftare än en liknande partikel av motsatt tecken, sammanfaller med tecknet för partiklarna som utgör atomerna i deras värld . I fallet med ett positivt svar kommer det att bli klart för oss att positroner är en del av deras atomer och därför består utomjordingen av antimateria. Och om svaret är negativt - kan du förbereda dig för landning!

VÄRLD ELLER ANTI-VÄRLD?

Rapporter dyker upp regelbundet i den vetenskapliga litteraturen om upptäckten av icke-standardiserade primära källor till kosmiska antipartiklar av okänt ursprung. I april 2009 publicerades data om ett mystiskt överskott av extremt snabba positroner som upptäckts av PAMELA-detektorkomplexet. Denna utrustning är placerad ombord på den ryska satelliten Resurs-DK, som sändes i omloppsbana nära jorden den 15 juni 2006 från Baikonur-kosmodromen. Vissa experter tolkade detta resultat som möjliga bevis på förintelsen av hypotetiska partiklar av mörk materia, men en mindre exotisk förklaring dök snart upp. Denna hypotes kommenterades av den välkände kosmiska strålningsspecialisten Veniamin Berezinsky från Gran Sasso National Laboratory, som är en del av det italienska nationella institutet för kärnfysik: ”Standardmodellen för produktion av galaktiska kosmiska strålar vilar på tre positioner. Supernovarester anses vara den första och huvudsakliga källan till laddade partiklar. Den andra idén - partiklar accelereras till ultrarelativistiska hastigheter vid fronterna av post-explosiva stötvågor, och i denna acceleration är rollen för deras eget magnetfält mycket stor. Den tredje ståndpunkten är att kosmiska strålar fortplantas genom diffusion.Min tidigare student, och nu professor vid National Institute of Astrophysics, Pasquale Blasi visade att överskottet av positroner som detekteras av PAMELA-komplexet stämmer överens med denna modell.Protoner som accelereras i stötvågor kolliderar med partiklar av kosmisk gas och det är i denna zon av deras acceleration som de förvandlas till positiva pioner, som sönderfaller tsya med bildandet av positroner och neutriner. Enligt Blazys beräkningar skulle denna process mycket väl kunna producera exakt samma koncentration av positroner som PAMELA hittade. En sådan mekanism för att generera positroner ser helt naturlig ut, men av någon anledning har den aldrig förekommit för någon förrän nu. Blasi visade också att samma processer också borde generera överskott av antiprotoner. Tvärsnittet av deras produktion är dock mycket mindre än motsvarande värde för positroner, på grund av vilket de kan detekteras endast vid högre energier. Jag tror att det kommer att bli möjligt med tiden."
I allmänhet talar allt hittills för det faktum att det inte finns några antistjärnor, inga antiplaneter eller ens de minsta antimeteorerna i rymden. Å andra sidan säger konventionella Big Bang-modeller att vårt universum strax efter födseln innehöll samma antal partiklar och antipartiklar. Så varför överlevde den förra och den senare försvann?