ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
аНТИЧАСТИЦЫ И АНТИМИР
Античастица — это частица с той же массой и противоположным зарядом по отношению к соответствующей ей частице. Когда античастица сталкивается с частицей, они аннигилируют друг с другом, высвобождая огромное количество энергии. В этой статье расскажем, как предсказали и открыли позитрон, антипротон и антинейтрон.
Теоретическое предсказание
В 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистского электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, одно с положительной, другое с отрицательной энергией. Было осознано, что состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд (позитрон).
В 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистского электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, одно с положительной, другое с отрицательной энергией. Было осознано, что состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд (позитрон).
Экспериментальное обнаружение позитрона
Позитрон был открыт в 1932 г. К. Андерсоном. Для этого Андерсон перегородил камеру Вильсона посередине свинцовой пластинкой толщиной 5 мм. При прохождении заряженной частицей свинцовой пластинки её энергия уменьшается и, следовательно, она должна сильнее искривляться в магнитном поле. Мы видим, что в верхней части камеры над пластинкой траектория частицы искривлена значительно сильнее, чем в нижней. Это позволило однозначно определить направление движения частицы и знак её заряда.
Изучив ионизацию, длину траектории и радиус кривизны, Андерсон пришёл к однозначному выводу, что обнаруженная им частица имеет массу электрона, но заряжена положительно.
Позитрон был открыт в 1932 г. К. Андерсоном. Для этого Андерсон перегородил камеру Вильсона посередине свинцовой пластинкой толщиной 5 мм. При прохождении заряженной частицей свинцовой пластинки её энергия уменьшается и, следовательно, она должна сильнее искривляться в магнитном поле. Мы видим, что в верхней части камеры над пластинкой траектория частицы искривлена значительно сильнее, чем в нижней. Это позволило однозначно определить направление движения частицы и знак её заряда.
Изучив ионизацию, длину траектории и радиус кривизны, Андерсон пришёл к однозначному выводу, что обнаруженная им частица имеет массу электрона, но заряжена положительно.
Трек позитрона в камере Вильсона. Изображение из [1].
Существуют ли другие античастицы?
В течение длительного времени электрон и позитрон были единственными известными частицами, образующими пару частица-античастица. Интуиция подсказывает, что должны существовать, например, антипротон и антинейтрон.
В течение длительного времени электрон и позитрон были единственными известными частицами, образующими пару частица-античастица. Интуиция подсказывает, что должны существовать, например, антипротон и антинейтрон.
Открытие антипротона
Свойства антипротона были предсказаны еще во времена открытия позитрона. Однако для того, чтобы обнаружить эту частицу, необходимо было иметь протоны с кинетической энергией больше 6 ГэВ.
Для этого был построен ускоритель, способный разогнать частицу до таких энергий. В 1955 году в Беркли (США) был открыт антипротон в реакции
Свойства антипротона были предсказаны еще во времена открытия позитрона. Однако для того, чтобы обнаружить эту частицу, необходимо было иметь протоны с кинетической энергией больше 6 ГэВ.
Для этого был построен ускоритель, способный разогнать частицу до таких энергий. В 1955 году в Беркли (США) был открыт антипротон в реакции
$$
\mathrm{p}+\mathrm{p} \rightarrow \mathrm{p}+\mathrm{p}+\mathrm{p}+\overline{\mathrm{p}}
$$
Антипротоны образовывались при бомбардировке мишени из меди протонами, ускоренными до 6,2 ГэВ.
Магниты М1 и М2 выделяли частицы с единичным отрицательным зарядом и импульсом 1,19 ГэВ/с. Такими частицами могли быть также пионы и каоны.
Отделить эти частицы можно было по времени пробега расстояния ≈12 м между быстродействующими сцинтилляционными счетчиками С1 и С2. Протоны пролетали медленнее это расстояние.
Для надежности использовались два черенковских счетчика Ч1 и Ч2. Ч2 регистрировал более медленные частицы. Если срабатывали два датчика, событие отбрасывалось.
Сцинтилляционный датчик С3 служил для того, чтобы убедить, что частица не отклонилась.
Так счетчики С1, С2, С3 и Ч2 были включены на совпадение, а Ч1 на антисовпадение.
Магниты М1 и М2 выделяли частицы с единичным отрицательным зарядом и импульсом 1,19 ГэВ/с. Такими частицами могли быть также пионы и каоны.
Отделить эти частицы можно было по времени пробега расстояния ≈12 м между быстродействующими сцинтилляционными счетчиками С1 и С2. Протоны пролетали медленнее это расстояние.
Для надежности использовались два черенковских счетчика Ч1 и Ч2. Ч2 регистрировал более медленные частицы. Если срабатывали два датчика, событие отбрасывалось.
Сцинтилляционный датчик С3 служил для того, чтобы убедить, что частица не отклонилась.
Так счетчики С1, С2, С3 и Ч2 были включены на совпадение, а Ч1 на антисовпадение.
Экспериментальная установка для детектирования антипротона. Изображение из [1].
Открытие антинейтрона
Антинейтрон был открыт в 1956 г. тоже в Беркли (США).
Антипротоны рождались в бериллиевой мишени в результате бомбардировки протонами с энергией 6,2 ГэВ.
Сигнал с С1 указывал, что антипротон попал в конвертор К (емкость с жидким сцинтиллятором).
В конверторе К происходили процессы перезарядки антипротонов на кулонах.
Антинейтрон был открыт в 1956 г. тоже в Беркли (США).
Антипротоны рождались в бериллиевой мишени в результате бомбардировки протонами с энергией 6,2 ГэВ.
Сигнал с С1 указывал, что антипротон попал в конвертор К (емкость с жидким сцинтиллятором).
В конверторе К происходили процессы перезарядки антипротонов на кулонах.
$$
\begin{gathered}
\overline{\mathrm{p}}+\mathrm{p} \rightarrow \overline{\mathrm{n}}+\mathrm{n} \\
\overline{\mathrm{p}}+\mathrm{n} \rightarrow \overline{\mathrm{n}}+\mathrm{n}+\pi^{-}
\end{gathered}
$$
Они вызывали небольшие по сравнению с другими процессами вспышки в сцинтилляторе, которые фиксировались ФЭУ.
С2, С3 и свинцовый экран Э служили для фильтрации заряженных частиц (, K, p), гамма-квантов, нейтральных пионов, распадающихся на гамма-кванты.
Регистрация антинейтронов происходила в ЧС по интенсивным световым вспышкам от аннигиляции антинейтронов.
С2, С3 и свинцовый экран Э служили для фильтрации заряженных частиц (, K, p), гамма-квантов, нейтральных пионов, распадающихся на гамма-кванты.
Регистрация антинейтронов происходила в ЧС по интенсивным световым вспышкам от аннигиляции антинейтронов.
Экспериментальная установка для детектирования антинейтрона. Изображение из [1].
Характеристики античастиц
Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что и частицы и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так частица и античастица имеют одинаковые массы, времена жизни, но противоположные знаки электрических зарядов, магнитных моментов и др. Схемы распада частиц и античастиц - зарядово-сопряженные, т. е, отличаются лишь заменой частиц на античастицы.
Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что и частицы и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так частица и античастица имеют одинаковые массы, времена жизни, но противоположные знаки электрических зарядов, магнитных моментов и др. Схемы распада частиц и античастиц - зарядово-сопряженные, т. е, отличаются лишь заменой частиц на античастицы.
Связь квантовых числе частицы и античастицы. Изображение из [2].
Истинно нейтральные частицы
В некоторых случаях частица и античастица тождественны. Такие частицы называются истинно нейтральными. Например, гамма-квант является такой частицей.
В некоторых случаях частица и античастица тождественны. Такие частицы называются истинно нейтральными. Например, гамма-квант является такой частицей.
Антиядра
В 1970-х годах в лабораторных условиях были получены антиядро трития и гелия. В 1998 году созданы атомы антиводорода.
Однако создание антивещества — очень дорогое удовольствие. Любое государство обанкротилось бы, произведя несколько десятков граммов антиатомов. Например, несколько триллионных грамма антивещества обошлось CERN в 20 млн. долларов. Сделать несложные расчеты, получим, что производство 1 грамма антивещества стоило бы сто квадриллионов долларов и заняло бы 100 млрд лет непрерывной работы! Это делает антивещество самым дорогим продуктом на свете.
В 1970-х годах в лабораторных условиях были получены антиядро трития и гелия. В 1998 году созданы атомы антиводорода.
Однако создание антивещества — очень дорогое удовольствие. Любое государство обанкротилось бы, произведя несколько десятков граммов антиатомов. Например, несколько триллионных грамма антивещества обошлось CERN в 20 млн. долларов. Сделать несложные расчеты, получим, что производство 1 грамма антивещества стоило бы сто квадриллионов долларов и заняло бы 100 млрд лет непрерывной работы! Это делает антивещество самым дорогим продуктом на свете.
Если бы мы могли собрать все произведенное нами антивещество и аннигилировать его с веществом, мы получили бы достаточно энергии, чтобы одна электрическая лампочка могла гореть несколько минут
— заявление CERN
— заявление CERN
Обращаться с антивеществом чрезвычайно аккуратно, ведь любой контакт вещества и антивещества порождает взрыв (при аннигиляции выделяется гигантское количество энергии).
Антивещество является гигантским источником энергии, но экономически невыгодным
Список литературы:
- Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин. Частицы и атомные ядра, 2019
- Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин. Антиматерия: Античастицы, 2009
- Ядерная физика в интернете. Шпаргалка для отличника: Античастицы
- Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин. Антиматерия: Позитрон, 2009
- Митио Каку. Физика невозможного, 2018
Автор: команда проекта Суперпозиция
