СЛОВАРЬ ЮНОГО ФИЗИКА

АНТИВЕЩЕСТВО

Антивещество — материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 г. английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то время была известна лишь одна положительно заряженная частица — протон, резко отличающаяся по своим свойствам от электрона.

Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 г. положительно заряженные антиэлектрон ы (теперь их называют позитронами) обнаружил в космических лучах американский физик К- Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

В 1955 г. на новом ускорителе в Беркли (США) Э. Сегрс, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновениях ускоренных протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и б'.1:'успешно разыскивался в космических лучах. В 1956 г. был открыт и антинейтрон. 1 Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизги, спин, но различаются знаками всех зарядом: электрического, барионного леихонного и т. д. Это следует и.ч общих принципов квантовой теории поля (см. Квантовая механика) и подтверждается НУ. южными экспериментальными данными.

С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на д в е группы. Первая из них — частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны е~, т~, соответствующие им нейтрино и кварки и, d, s, с, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа — это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (7, Z°), т. е. все квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W+, W~) также образуют пары частица — античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав (udd), антинейтрон — (udd). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: я_-мезон состоит из кварков {du), а л+-мезон состоит из кварков (du). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки (например, л°, р, ri-мезоны, куда входят пары кварков ии, dd и ss); такие мезоны будут истинно нейтральными .

Характерная особенность поведения частиц и античастиц — их аннигиляция при столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е~ + е+ -*- у + Y- Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару м ю о н о в: е~ + е+ -*• ц~ + (А+. В таких реакциях были открыты «очарованные» и «прелестные» частицы .В аналогичном процессе е~~ + е+ -*- х~ + открыли тяжелый т-леп- тон .В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

Операция замены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так как истинно нейтральные частицы тождественны своим античастицам, то при операции зарядового сопряжения они переходят сами в себя. Поэтому истинно нейтральные частицы характеризуются особым квантовым числом, которое называется зарядовой четностью и показывает, как ведет себя волновая функция такой частицы при зарядовом сопряжении. Зарядовая четность может быть положительной, как, например, у я°-мезонов, т]-мезонов и некоторых других частиц. Это означает, что волновая функция этих частиц не меняется при зарядовом сопряжении. Но есть истинно нейтральные частицы, у которых зарядовая четность отрицательна, т. е. их волновая функция при соответствующей операции меняет знак. Примером такой частицы является фотон — квант электромагнитного поля. Это довольно легко понять, ведь электрические и магнитные поля меняют знак при изменении знаков всех зарядов, т. е. при операции зарядового сопряжения.

В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами. Это означает, что в таких взаимодействиях не меняется, в частности, зарядовая четность истинно нейтральной частицы или системы частиц. Поэтому, например, л°-мезоны с положительной зарядовой четностью распадаются электромагнитным образом на два фотона (у каждого из которых отрицательная зарядовая четность) и не могут распадаться на три фотона. Далее, подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра.

В 1965 г. на ускорителе в США был получен антидейтрон (связанное состояние антипротона и антинейтрона). В 1969 г. в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра а н т и- гелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития — тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было бы мощное анни- гиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом.

Ведь аннигиляция только 1 г вещества и антивещества приводит к выделению 1014 Дж энергии (Е = тс2), что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества.

Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах л, 1013 К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один «лишний» протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения .Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов ( ~10-9) и дало нам сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.

Откуда же взялся этот избыток? Одна из гипотез предполагает, что в начальном состоянии число частиц и античастиц совпадало, но затем из-за особенностей в динамике их взаимодействия возникла асимметрия.

Идеи о возникновении во Вселенной асимметрии между частицами и античастицами были впервые высказаны в 1960-х гг. Но такого рода научная теория пока не завершена и находится в стадии развития.