у каких частиц есть античастицы

Частицы, античастицы и их аннигиляция

Античастицы часто представляют более мистическими и загадочными, чем они есть на самом деле, и всё это благодаря научной фантастике и другим произведениям, вроде «Ангелов и демонов» Дэна Брауна.

У каждого типа частиц есть античастица. Обычно это отдельная частица, но бывает так, что античастица и частица – это одно и то же. Только частицы, удовлетворяющие определённым условиям (к примеру, электрически нейтральные) могут быть античастицами сами себе. Небольшой список примеров таких частиц – это фотоны, Z-частицы, глюоны и гравитоны. Возможно, три нейтрино. У всех остальных частиц есть отдельные античастицы, обладающие той же массой но противоположным электрическим зарядом. Нейтрон – пример электрически нейтральной частицы, не являющейся античастицей самой себе. Как и у протона, в нейтроне больше кварков, чем антикварков, а у антинейтрона больше антикварков, чем кварков.

Для частиц, отличающихся от античастиц, названия античастиц обычно достаточно очевидны (верхний антикварк, антинейтрино, антитау), за исключением антиэлектрона, который обычно называют позитроном.

Чем же так знаменита антиматерия, из-за чего она так загадочно звучит? Всё это благодаря утверждению «материя и антиматерия аннигилируют в чистую энергию». Это утверждение звучит круто, но оно несерьёзно. Оно не совсем неверно, но и не правдиво. Реальность более сложна и не так удивительна.

Часто для простоты физики опускают приставку «анти», когда из контекста она очевидна. Примеры:

• Во многих процессах появляются мюон и антимюон. Физики иногда называют это «мюонной парой».
• W-частица распадается на верхний кварк и нижний антикварк, и часто говорят, что она распадается «на кварки».

Аннигиляция частиц и античастиц

Аннигиляции частиц и античастиц посвящают множество материалов – это звучит загадочно, страшновато и фантастически – но это основные процессы, происходящие в сердце физики частиц, и такое их описание приводит к частому недопониманию. Я хочу описать немного основных правил, определяющих, превратятся ли частица и античастица одного типа в другую пару из частицы и античастицы, приближаясь друг к другу. Это не полная история аннигиляции частиц и античастиц, но хорошее начало.

В таком мире, как наш, управляемом квантовой механикой и относительностью Эйнштейна, существует математическая теорема: для каждого типа частиц есть соответствующий им тип античастиц с точно такой же массой. Это не просто теорема – для всех известных частиц античастицы были получены экспериментально, так что и спорить тут не о чем.

Однако некоторые частицы совпадают с античастицами: античастицей для фотона (частицы света) и будет фотон. То же самое будет для Z-частицы и частицы Хиггса. С другой стороны, у электрона с отрицательным (по определению) электрическим зарядом есть античастица, антиэлектрон или позитрон, с положительным зарядом. Почти у всех известных частиц это так: у мюона есть антимюон, у верхнего кварка – верхний антикварк, у W-частицы с положительным зарядом есть античастица W с отрицательным.

Если свести вместе частицу и античастицу, почти всех их свойства взаимно уничтожатся. К примеру, электрический заряд мюона (тяжёлого кузена электрона) плюс электрический заряд антимюона будет равен нулю. Первый отрицательный, второй положительный, но по размеру они равны. Единственное, что не уничтожается – это их массы и энергии. Правда, это утверждение с небольшим подвохом. Масса не «сохраняется» – она может появляться и исчезать, что для физики частиц очень даже хорошо. Единственное, что никуда не денется – это энергия. Энергия сохраняется: с какой вы начали, с такой и закончите.

1. Мюон и антимюон превращаются в два фотона

Всё остальное в коробке равно нулю: суммарный электрический заряд, угловой момент, и т.п. Только энергия. И масса – но они связаны друг с другом.

Поскольку почти всё взаимно уничтожается, частица и античастица могут трансформироваться через одно из четырёх известных взаимодействий в другую частицу и её античастицу. К примеру, мюон и антимюон могут превратиться в фотон и второй фотон (помните, фотон сам себе античастица). У обоих фотонов будет энергия – но сколько? Ну, фотоны будут одинаковые, и у них будет одинаковая энергия, и поскольку она сохраняется, то общая конечная энергия будет такой же, как общая начальная:

Рис. 1

Также у фотонов будут импульсы. Но импульсы двух фотонов будут разнонаправлены и взаимно уничтожатся, так что итоговый импульс будет нулевой.

Обратите внимание, что энергия сохраняется, импульс сохраняется, а масса – нет. Итоговая масса равна нулю, хотя начальная равна 2 M.

2. Мюон и антимюон превращаются в электрон и антиэлектрон

не только возможный процесс для аннигиляции частицы и античастицы, но и очень распространённый. Посмотрим на другой вариант для частицы 2.

Рис. 2

Вместо того, чтобы стать двумя фотонами, мюон и антимюон могут превратиться в электрон и позитрон (антиэлектрон), как на рис. 2. У обоих будет одинаковая масса; давайте назовём её m. Масса электрона примерно в 200 раз меньше массы мюона M. Во что превратятся мюон и антимюон, в фотоны или в пару электрон/позитрон, определяет случайность, но с вероятностью, описываемой уравнениями квантовой механики.

Та же логика, что и раньше, приводит нас к тому же заключению. У нас будет симметрия, электрон и позитрон, с одинаковой массой, одинаковой энергией, и благодаря закону сохранения общая энергия должна быть такой же, как начальная энергия мюона.

Конечно, взаимно уничтожаются и их электрические заряды. До трансформации заряда в коробке не было, нет его и после. Энергия опять-таки сохраняется, импульс сохраняется, заряд сохраняется, а масса – нет. Начальная масса была 2M, а конечная – 2m.

Рис. 3

3. Электрон и антиэлектрон превращаются в два фотона

Покоящиеся электрон и позитрон могут превратиться в два фотона, точно так же, как мюон и антимюон. Все расчёты можно провести, сведя задачу к случаю с мюонами, просто заменяя везде M на m. Разницы нет (сравните рис. 1 и рис. 3).

4. Могут ли электрон и антиэлектрон превратиться в мюон и антимюон?

Нет и да. Ответ зависит от постановки вопроса:

• Нет, если электрон и позитрон изначально покоятся. Им не хватит энергии, чтобы создать мюон и антимюон, поэтому такой процесс не произойдёт.
• Да, если электрон и позитрон обладают большими энергиями движения и столкнутся очень сильно. Процесс может произойти, пока у них будет достаточно энергии.

Сначала давайте убедимся, что если электрон и позитрон покоятся – не обладают энергией движения – они не смогут превратиться в мюон и антимюон. Логика простая – нам нужно лишь вернуться к предыдущей задаче, в которой мюон и антимюон превращались в электрон и позитрон, и заменить везде мюон на электрон, антимюон на позитрон, M на m. Получится:

Рис. 4

Что уже не противоречит требованиям предыдущего уравнения

Энергии электрона и позитрона едва хватает, чтобы создать покоящиеся мюон и антимюон (рис. 5).

Рис. 5

Если мы сделаем энергии электрона и позитрона даже больше, то сможем создать мюон и антимюон. Избыток энергии превратится в энергию движения мюона и антимюона, см. рис. 6.

Заметьте, что масса опять не сохраняется, хотя сохраняется энергия. В этом случае масса увеличилась, от 2m до 2M. Это очень важно для физики частиц! Это одна из основных техник, используемых нами для открытия новых частиц. Мы сталкиваем частицу и античастицу с очень большими энергиями движения, надеясь, что они превратятся в тяжёлую частицу, невиданную ранее, вместе с её античастицей.

Рис. 6

• Неподвижные частица и её античастица могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если начальная частица тяжелее конечной.
• Неподвижные частица и античастица не могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если конечная частица тяжелее начальной.
• Движущиеся друг относительно друга частица и её античастица могут аннигилировать, порождая более тяжёлые частицу и античастицу, если у них достаточно энергии движения.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы равна энергии массы более тяжёлой частицы, тогда получившиеся тяжёлая частица и античастица будут неподвижными.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы больше энергии массы более тяжёлой частицы, тогда излишки энергии превратятся в энергию движения более тяжёлых частицы и античастицы.

Источник

Античастицы

Для всякой известной элементарной частицы имеется вероятность найти античастицу — то есть частицу с той же массой, но противоположными другими физическими характеристиками.

В 1920-е годы — после введения принципов квантовой механики — субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.

Увы, столь простой картине мира суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету (см. Элементарные частицы), и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.

Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — «позитрон» (производное от «позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляци — обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году. Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта — собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson, 1905–91) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.

При помощи этого аппарата, получившего название конденсационная камера, Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью. По интенсивности трека, оставленного частицей, он мог судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. К 1932 году ему удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess, 1883–1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей. — Прим. переводчика.) Это был первый (и, пока что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!

Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

Источник

Античастицы

Античасти́ца — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа).

Само определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако при данном выборе «частицы» её античастица определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барионов определить «частицу» в любой паре барион-антибарион. Выбор электрона как «частицы» в паре электрон-позитрон фиксирует (вследствие сохранения лептонного числа в процессах слабого взаимодействия) определение состояния «частицы» в паре электронных нейтрино-антинейтрино. Переходы между лептонами различных поколений (типа ) не наблюдались, так что определение «частицы» в каждом поколении лептонов, вообще говоря, может быть произведено независимо. Обычно по аналогии с электроном «частицами» называют отрицательно заряженные лептоны, что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино. Для бозонов понятие «частица» может фиксироваться определением, например, гиперзаряда.

Содержание

Существование античастиц

Существование античастиц было предсказано П. А. М. Дираком. Полученное им в 1928 году квантовое релятивистское уравнение движения электрона (уравнение Дирака) с необходимостью содержало решения с отрицательными энергиями. В дальнейшем было показано, что исчезновение электрона с отрицательной энергией следует интерпретировать как возникновение частицы (той же массы) с положительной энергией и с положительным электрическим зарядом, т. е. античастицы по отношению к электрону. Эта частица — позитрон — была открыта в 1932 году.

В последующих экспериментах было установлено, что не только электрон, но и все остальные частицы имеют свои античастицы. В 1936 году в космических лучах были открыты мюон (μ − ) и μ + его античастица, а в 1947 — π − и π + — мезоны, составляющие пару частица — античастица; в 1955 в опытах на ускорителе зарегистрирован антипротон, в 1956 — антинейтрон и т. д. К настоящему времени наблюдались античастицы практически всех известных частиц, и не вызывает сомнения, что античастицы имеются у всех частиц.

Истинно нейтральные частицы

Для некоторых нейтральных частиц античастица тождественно совпадает с частицей. Это, в частности, фотон, нейтральный пи-мезон, эта-мезон и прочие кварконии, хиггсовский бозон, Z-бозон, гравитон. Такие частицы называют истинно нейтральными. Подчеркнём, что электрически нейтральные частицы могут и не совпадать со своими античастицами. Это, в частности, касается нейтрона, нейтрино, нейтрального каона и т. д.

Все известные истинно нейтральные частицы — бозоны, однако в принципе могут существовать и истинно нейтральные фермионы (т. н. майорановские частицы).

Осцилляции

Если какое-либо из квантовых чисел электрически нейтральной частицы не сохраняется строго, то возможны переходы (осцилляции) между состояниями частицы и ее античастицы. В этом случае состояния с определённым несохраняющимся квантовым числом не являются собственными состояниями оператора энергии-импульса, а представляют собой суперпозиции истинно нейтральных состояний с определёнными значениями массы. Подобное явление может реализовываться в системах , , и т. п.

Рождение и аннигиляция

Рождение античастиц происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-античастица (см. Рождение пар). В лабораторных условиях античастицы рождаются во взаимодействиях частиц на ускорителях; хранение образующихся античастиц осуществляют в накопительных кольцах при высоком вакууме. В естественных условиях античастицы рождаются при взаимодействии первичных космических лучей с веществом, например, атмосферы Земли, а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер галактик. Теоретическая астрофизика рассматривает образование античастиц (позитронов, антинуклонов) при аккреции вещества на чёрные дыры. В рамках современной космологии рассматривают рождение античастиц при испарении первичных чёрных дыр малой массы. При температурах, превышающих энергию покоя частиц данного сорта (в энергетической системе единиц), пары частица-античастица присутствуют в равновесии с веществом и электромагнитным излучением. Такие условия могут реализовываться для электрон-позитронных пар в горячих ядрах массивных звёзд. Согласно теории горячей Вселенной, на очень ранних стадиях расширения Вселенной в равновесии с веществом и излучением находились пары частица-античастица всех сортов. В соответствии с моделями великого объединения эффекты нарушения С- и CP-инвариантности в неравновесных процессах с несохранением барионного числа могли привести в очень ранней Вселенной к барионной асимметрии Вселенной даже в условиях строгого начального равенства числа частиц и античастиц. Это даёт физическое обоснование отсутствию наблюдательных данных о существовании во Вселенной объектов из античастиц.

При столкновении частицы со своей античастицей возможна их аннигиляция.

Источник

Не все частицы и античастицы можно разделить на материю и антиматерию

Чем меньшие масштабы мы изучаем, тем более фундаментальные знания о природе нам открываются. Если бы мы могли понять и описать самые мелкие из существующих объектов, мы могли бы построить на этой основе понимание крупных. Однако мы не знаем, существует ли предел минимизации пространства.

В нашей Вселенной существуют правила, нарушения которых мы ещё ни разу не наблюдали. Мы ожидаем, что некоторые из них никогда не нарушались. Ничто не может двигаться быстрее света. При взаимодействии двух квантов энергия всегда сохраняется. Нельзя создать или уничтожить импульс и угловой момент. И так далее. Но некоторые из этих правил, хотя мы этого и не видели, в какой-то момент прошлого должны были нарушиться.

Одно из них – симметрия материи и антиматерии. Каждое взаимодействие, в котором рождаются или уничтожаются частицы материи, уничтожает или порождает равное количество их двойников из мира антиматерии – античастицы. Учитывая, что наша Вселенная почти полностью состоит из материи, и почти не содержит антиматерии (нет никаких звёзд, галактик или стабильных космических структур, состоящих из антиматерии), эта симметрия, очевидно, была нарушена в прошлом. Однако как именно это произошло, остаётся тайной. Загадка асимметрии материи/антиматерии остаётся одним из величайших открытых вопросов физики.

Кроме того, мы обычно говорим «частицы», подразумевая составные части материи, и «античастицы», подразумевая составные части антиматерии, однако это не совсем верно. Частицы – не всегда материя, а античастицы – не всегда антиматерия. Вот, что говорит наука по поводу этой контринтуитивной ситуации.

От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных. В человеческом теле содержится порядка 10 28 атомов.

Представляя себе материалы, которые можно найти на Земле, вы, наверно, будете считать, что 100% их состоит из материи. Примерно так и есть – практически вся наша планета состоит из материи. Она же состоит из протонов, нейтронов и электронов – и всё это частицы материи. Протоны и нейтроны – составные частицы, состоящие из верхних и нижних кварков, связывающихся при помощи глюонов, и формирующих ядра атомов. К этим ядрам привязаны электроны – так, что общий электрический заряд атома равен нулю, а электроны связаны с ядрами электромагнитным взаимодействием, передающимся при помощи обмена фотонами.

Однако периодически одна из частиц в атомном ядре претерпевает радиоактивный распад. Типичный пример – бета-распад. Один из нейтронов превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино. Изучив свойства различных частиц и античастиц, участвующих в этом распаде, можно многое узнать о Вселенной.

Схематичное изображение ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Бета-распад работает при помощи слабых взаимодействий, превращая нейтрон в протон, электрон и электронное антинейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняется энергия и импульс.

Нейтрон, с которого мы начали, имеет следующие свойства:

Свободные нейтроны нестабильны. Период полураспада у них составляет 10,3 минуты, и распадаются они на протоны, электроны и электронные антинейтрино. Если поменять нейтрон на антинейтрон, то все частицы поменяются на соответствующие античастицы. Материю заменит антиматерия, а антиматерию – материя.

При нормальных условиях низких энергий свободный нейтрон распадётся на протон посредством слабого взаимодействия – в этом случае на диаграмме время увеличивается вверх. При достаточно больших энергиях эта реакция может пойти в обратную сторону. Протон и позитрон или нейтрино могут провзаимодействовать, выдав нейтрон – то есть, при взаимодействии протона с протоном может появиться дейтрон. Так работает первый, критически важный шаг синтеза в Солнце.

Теперь давайте перевернём всё зеркально, перейдя от материи к антиматерии. Вместо распада нейтрона представим распад антинейтрона. Свойства антинейтрона очень похожи на свойства нейтрона, упомянутые ранее, но есть и важные отличия:

Благодаря экспериментам и новым теоретическим изысканиям мы стали лучше разбираться во внутренней структуре нуклонов, протонов и нейтронов, включая то, как распределяется «море» из кварков и глюонов. Исследования позволяют объяснить большую часть массы барионов, а также их нетривиальные магнитные моменты.

[кликабельно] Стандартная модель помогает нам определить, какие частицы существуют в реальности, и какие для каждой из них есть античастицы. И хотя Вселенная в основном состоит из материи, и имеет лишь следовые включения антиматерии, не каждую её частицу можно отнести только либо к материи, либо к антиматерии.

Частицы и античастицы Стандартной модели, существование которых предсказывают законы физики. Кварки и лептоны – это фермионы и материя. Антикварки и антилептоны – это антифермионы и антиматерия. Однако бозоны – это не материя и не антиматерия.

Но что насчёт остальных частиц и античастиц? Говоря о материи и антиматерии, мы говорим только о фермионах – кварках и лептонах. Однако существуют ещё и бозоны:

Если столкнуть частицу с её античастицей, они аннигилируют, и могут выдать всё, на что хватит энергии, с учётом всех квантовых законов сохранения – энергии, импульса, углового момента, электрического заряда, барионного числа, лептонного числа, номера семейства лептонов, и т.д. Это верно и для частиц, являющихся античастицами для самих себя.

Равносимметричная коллекция бозонов материи и антиматерии (X и Y, и анти-X с анти-Y) с правильными свойствами GUT могла бы породить асимметрию материи и антиматерии, которую мы сегодня наблюдаем во Вселенной.

Примечательно тут то, как появляется идея противостояния «материи» и «антиматерии». Если у вас положительное барионное или лептонное число, вы материя. Если отрицательное, вы антиматерия. А если у вас нет барионного или лептонного числа – вы ни материя, ни антиматерия! Хотя частиц есть два типа – фермионы (кварки и лептоны) и бозоны (всё остальное) – в нашей Вселенной только фермионы могут быть материей или антиматерией.

Если нейтрино окажутся майорановскими фермионами, теорию придётся пересмотреть – ведь майорановские фермионы могут быть античастицами для самих себя.

Значит, составные частицы, типа пионов или других мезонов, состоящие из комбинаций кварков и антикварков, не относятся ни к материи, ни к антиматерии – они состоят и из того, и из другого. Позитроний – связанные вместе электрон и позитрон, тоже не относится ни к материи, ни к антиматерии. Если существуют лептокварки или сверхтяжёлые X или Y бозоны из теорий великого объединения, то они будут примером частиц, обладающих одновременно барионным и лептонным числом – для них будут варианты как из материи, так и из антиматерии. Если бы теория суперсимметрии была верной, у нас были бы фермионные двойники фотонов – фотино – не относящиеся ни к материи, ни к антиматерии. У нас могли бы быть даже суперсимметричные бозоны – скварки – и тогда их варианты частиц и античастиц делились бы на материю и антиматерию.

Частицы Стандартной Модели и их суперсимметричные двойники. Из них нашли чуть меньше половины, а свидетельств существования остальных пока никто не видел. Суперсимметрия должна улучшить Стандартную Модель, но пока ещё не сделала ни одного успешного предсказания.

Источник