Теоретическое предсказание существования античастиц

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ПРЕДСКАЗАНИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ АНТИЧАСТИЦ

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, 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.

Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в  статье, опубликованной им в 1930 году.

Еще в университете Дирак  заинтересовался теорией относительности Альберта Эйнштейна. В годы, когда Дирак проходил аспирантуру в Кембридже, Гейзенберг и Шрёдингер разработали свои формулировки квантовой механики, применив квантовую теорию к описанию поведения атомных и субатомных систем и движения таких частиц, как электрон.

Дирак начал изучать  уравнения Гейзенберга и Шрёдингера, как только те были опубликованы в 1925 году, высказав при этом несколько  полезных замечаний. Одним из недостатков  квантовой механики было то, что  она была разработана лишь применительно к частицам, обладающим малой скоростью (по сравнению со скоростью света), а это позволяло пренебречь эффектами, рассматриваемыми теорией относительности Эйнштейна. Эффекты теории относительности, такие как увеличение массы частицы с возрастанием скорости, становятся существенными, только когда скорости начинают приближаться к скорости света.

На Сольвеевском конгрессе  в октябре 1927 года к Дираку подошел  Нильс Бор. Вот как вспоминает об этом сам Дирак: «Бор подошел ко мне и спросил: «Над чем сейчас работаете?» Я ответил: «Пытаюсь получить релятивистскую теорию электрона». Бор тогда сказал: «Но ведь Клейн уже решил эту проблему». Я был несколько обескуражен. Я стал объяснять ему, что решение задачи Клейна, основанное на уравнении Клейна—Гордона, неудовлетворительно, так как его нельзя согласовать с моей общей физической интерпретацией квантовой механики. Однако я так и не смог объяснить что-либо Бору, так как наш разговор был прерван началом лекции и вопрос повис в воздухе».

Дирак был недоволен. Он стремился получить уравнения для одного электрона, а не для системы частиц с разными зарядами. Он добился своего, но решение его удивило. Двумерных частиц Паули, хорошо описывающих спин в нерелятивистском случае, явно не хватало. Электрон в теории имел лишнюю степень свободы — свободы, как оказалось, перехода в состояние с отрицательной энергией. Это выглядело настолько дико, что впору было отказаться от всего сделанного.

В поисках выхода Дирак  предложил странную идею. Он предположил, что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон. Наблюдаемы только электроны с положительной энергией. «Электроны, — пишет Дирак, — распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией, потому что для того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с отрицательной энергией суть протоны».

Теория Дирака была встречена  скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам».

Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой. Открытие позитрона, частицы  действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ  СУЩЕСТВОВАНИЯ АНТИЧАСТИЦ

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор  из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson, 1905–1991) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта 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). 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!

Хотя вышеописанный  пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание - проверка», историческая реальность представляется не столь простой, как кажется. Дело в том, что Андерсон, судя по всему, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идет, скорее, об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона.

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.

АНТИВЕЩЕСТВО

Это вещество, состоящее  из античастиц, т.е. атомов, ядра которых  имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами - электронами с положительным электрическим зарядом. В обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. «койнос» — обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество — тоже вещество, его разновидность. Антивещество обладает такими же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

     Говоря  о веществе и антивеществе, логично  начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд.

(Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.) Так, электрону — отрицательно заряженной частице — соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон.

Антипротон - античастица по отношению к протону. Масса и спин антипротона такие же, как у протона. Электрический заряд (и магнитный момент) антипротона отрицателен и равен по абсолютной величине электрическому заряду (магнитному моменту) протона.

Антипротон был впервые  обнаружен экспериментально в 1955 О.Чемберленом (О.Chamberlain), Э.Сегре (Е.Segre), К.Вигандом (С.Wiegand) и Т.Ипсилантисом (Т.Ypsilantis) в Беркли (США) на ускорителе протонов с максимальной энергией 6,3 ГэВ. Рождение пар протон-антипротон наблюдается не только в столкновениях адронов, но и в столкновениях встречных пучков электронов и позитронов с энергиями выше 1 ГэВ.

Антинуклон - античастица по отношению к нуклону. Ядерное взаимодействие между антинуклонами может приводить к образованию ядер атомов антивещества, а между антинуклоном и нуклоном - к образованию бариония.

Антинейтрон - античастица но отношению к нейтрону. Антинейтрон электрически нейтрален, имеет спин 1/2 и массу, равную массе нейтрона. Магнитные моменты антинейтрона и нейтрона равны по абсолютной величине, но противоположны по направлению (по отношению к их спинам).

Коль скоро существуют античастицы, возникает вопрос, не могут  ли из античастиц образовываться антиядра. Ядра атомов обычного вещества состоят  из протонов и нейтронов. Самым простым ядром является ядро изотопа обычного водорода ¹H; оно представляет собой отдельный протон. Ядро дейтерия ²H состоит из одного протона и одного нейтрона; оно называется дейтроном. Еще один пример простого ядра — ядро ³He, состоящее из двух протонов и одного нейтрона. Антидейтрон, состоящий из антипротона и антинейтрона, был получен в лаборатории в 1966; ядро анти-3He, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона, было впервые получено в 1970.

     Согласно  современной физике элементарных частиц, при наличии соответствующих технических средств можно было бы получить антиядра всех обычных ядер. Если эти антиядра окружены надлежащим числом позитронов, то они образуют антиатомы. Антиатомы обладали бы почти в точности такими же свойствами, как и обычные атомы; они образовали бы молекулы, из них могли бы формироваться твердые тела, жидкости и газы, в том числе и органические вещества. Например, два антипротона и одно ядро антикислорода вместе с восемью позитронами могли бы образовать молекулу антиводы, сходную с обычной водой H₂O, каждая молекула которой состоит из двух протонов ядер водорода, одного ядра кислорода и восьми электронов. Современная теория элементарных частиц в состоянии предсказать, что антивода будет замерзать при 0° С, кипеть при 100° С и в остальном вести себя подобно обычной воде. Продолжая такие рассуждения, можно прийти к выводу, что построенный из антивещества антимир был бы чрезвычайно сходен с окружающим нас обычным миром. Этот вывод служит отправной точкой теорий симметричной Вселенной, основанных на предположении, что во Вселенной равное количество обычного вещества и антивещества. Мы живем в той ее части, которая состоит из обычного вещества.

АННИГИЛЯЦИЯ ВЕЩЕСТВА И АНТИВЕЩЕСТВА

 Аннигиляция частиц и античастиц - превращение частицы и античастицы при столкновении в другие частицы. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что при аннигиляции медленных частиц и античастиц может происходить только их превращение в несколько более лёгких частиц. Так, при аннигиляции электрона и позитрона возникают 2 или 3 g-фотона, при аннигиляции нуклона с антинуклоном возникают в основном p-мезоны. В последнем случае первичные продукты аннигиляции оказываются нестабильными и за аннигиляцией следует цепь последовательных превращений, приводящих в конечном счёте к образованию фотонов и нейтрино. При столкновении медленных электрона и позитрона непосредственно перед аннигиляцией может образовываться связанная атомарная система - позитроний. Скорость аннигиляции определяет время жизни стабильных относительно распада античастиц (позитрона, антипротона) в среде. Аннигиляция высокоэнергичных частиц может приводить к образованию частиц более тяжёлых, чем исходные частица и античастица. В опытах на ускорителях пучков электронов и позитронов, разогнанных до энергий выше 1 ГэВ, изучают процессы аннигиляции электрона и позитрона в адроны (мезоны и барионы). В столкновениях частиц может происходить обратный аннигиляции процесс рождения пар. Так, основным процессом поглощения жёсткого g-излучения в среде является процесс рождения g-фотоном пары электрон-позитрон в кулоновском поле ядра.

     В термодинамическом  равновесии при высокой температуре  (напр., на ранних стадиях расширения  Вселенной) достигается высокая  концентрация частиц n античастиц и процессы аннигиляции и рождения пар частиц и античастиц протекают в одинаковом темпе и уравновешивают друг друга. В ходе расширения Вселенной температуpa падала, и реакции аннигиляции начали доминировать над обратными реакциями рождения пар частиц и античастиц. Сначала должна была пройти аннигиляция тяжёлых античастиц (таких, как антибарионы), затем, при меньших температуpax,- более лёгких (напр., позитронов). Оставшиеся после аннигиляции частицы образовали вещество современной Вселенной.

АНТИВЕЩЕСТВО ВО ВСЕЛЕННОЙ

На Земле, в Солнечной системе и в непосредственно окружающем Солнечную систему космическом пространстве отсутствует сколько-нибудь заметное количество антивещества. Наблюдаемые в космических лучах позитроны и антипротоны можно объяснить их рождением при столкновениях частиц высоких энергий без привлечения гипотез о существовании макроскопических областей антивещества. В пользу этого указывает и отсутствие ядер антивещества в космических лучах. Непосредственное астрономическое наблюдение удаленного космического объекта из-за тождественности спектров электромагнитного излучения атомов вещества и антивещества не позволяет установить, состоит этот объект из вещества или антивещества. Астрономические проявления звезд из вещества и звезд из антивещества должны быть одинаковыми. Однако при наличии звезд из антивещества различные механизмы потери массы звездами приводили бы к появлению антивещества в межзвездной среде и его аннигиляции с межзвездным газом. Отсутствие интенсивного гамма-излучения, которое должно было бы наблюдаться при такой аннигиляции, налагает жесткое ограничение на концентрацию антивещества в галактиках (меньше 10-15 от концентрации вещества) и в скоплениях галактик (меньше 10-6 от концентрации вещества), т. е. наблюдательные данные гамма-астрономии указывают на отсутствие заметного количества антивещества в окружающем нас космическом пространстве вплоть до ближайшего скопления галактик.

Необходимость объяснить отсутствие сильного смешивания вещества и антивещества в космических масштабах, меньших скоплений галактик, является существенной трудностью космологических моделей, предполагающих равное количество вещества и антивещества во Вселенной. С другой стороны, анализ космологических следствий калибровочных теорий великого объединения взаимодействий, предсказывающих процессы с несохранением барионного числа, показывает, что неравновесные эффекты нарушения CP-инвариантности в таких процессах на очень ранних стадиях эволюции Вселенной (до первой секунды расширения) могли привести к барионной асимметрии Вселенной к преобладанию во Вселенной вещества. Однако возможность существования макроскопических областей антивещества не является пока окончательно исключенной наблюдениями. Такую возможность допускают и некоторые модели великого объединения со спонтанным нарушением CP-инвариантности, которые предсказывают существование макроскопических областей с преобладанием антивещества.