Частицы и античастицы кратко

Обновлено: 05.07.2024

Компонентные противоположности являются "строительными кирпичиками" материи, в то время как диалектические противоположности являются последовательно чередующимися звеньями единой цепи диалектического развития материи.

Любое вещество построено из частиц, обладающих элементарной массой покоя. Эти весомые частицы в свою очередь образованы из таких невесомых элементарных частиц чистой энергии, как фотоны, масса покоя которых равна идеальному нулю.

В настоящее время известно свыше ста разновидностей элементарных частиц. Наиболее интересными из них являются: фотоны, нейтрино, электроны, протоны, гравитоны и т.д. Каждая элементарная частица обладает своей равноценной противоположностью, которую мы называем элементарной античастицей. К элементарным античастицам соответственно относятся: антифотоны, антинейтрино, позитроны, антиэлектроны, антипротоны, антигравитоны и т.д.

Неискушенный читатель обычно путает "нейтрон" с "нейтрино", что означает "маленький нейтрон". Нейтрино – это электрически нейтральная элементарная частица, обладающая нулевым объемом, нулевой массой покоя и положительным полуспином. Антинейтрино – это электрически нейтральная элементарная частица, обладающая нулевым объемом, нулевой массой покоя и отрицательным полуспином. Спином называется собственный момент количества движения, которым обладают частицы. Если нейтрино встречается с антинейтрино, то сумма их полуспинов обращается в нуль, а сами они оба исчезают. В отличие от фотона, нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействует с другими элементарными частицами и обладает колоссальной проникающей способностью. Поэтому нейтрино свободно проходит со скоростью света сквозь толщу земного шара и даже Солнца.

Электрическую противоположность частицы мы называем электроантичастицей, а энергетическую – энергоантичастицей. Античастицы, как и частицы, могут быть весомыми и невесомыми. Невесомые античастицы (такие, как антифотоны физического пространства) представляют собой порции отрицательной энергии.

Весомые электроантичастицы (такие, как позитроны и антипротоны) образуются из невесомых частиц в виде весомых концентратов невесомой положительной энергии. Весомые энергоантичастицы (такие, как антиэлектроны и энергоантипротоны) могут образовываться из невесомых античастиц в виде весомых концентратов невесомой отрицательной энергии.

"Строительными кирпичиками" всякого электроантивещества, как и вещества, является невесомая положительная энергия. А "строительными кирпичиками" энергоантивещества-отрицательная энергия. Электроантивещество построено из электроантичастиц, а энергоантивещество из энергоантичастиц.

Если же электрон встречается с антиэлектроном, то происходит их взаимная и полная аннигиляция без всякого превращения во что бы то ни было материальное. При этом исчезает не только весомое вещество, но и чистая невесомая энергия. Под аннигиляцией здесь подразумевается полное взаимное уничтожение положительной и отрицательной противоположностей.

Энергоантичастицы, такие, как антифотоны, антиэлектроны и энергоантипротоны, – экспериментально не обнаружены. Они и не могут быть обнаружены вообще по самой сути своей. Если бы мы попытались это сделать, то произошла бы полная аннигиляция отрицательной энергии антифотонов (антиэлектронов или энергоантипротонов) и положительной энергии вещественных приборов. Энергоантичастицы вместе с приборами исчезли бы совсем без всякого превращения во что бы то ни было материальное. Но это вовсе не означает, что их якобы нет.

Элементарные энергоантичастицы могут существовать объективно, независимо и вне всяких наших физических возможностей. Этот факт лишний раз свидетельствует о том, что не всякую физическую реальность можно зарегистрировать приборами.

Обобщая все сказанное, мы можем сформулировать вкратце закон парности элементарных частиц следующим образом:

1. Каждая элементарная частица имеет свою электрическую, энергетическую или какую-либо другую физическую противоположность, которую мы называем элементарной античастицей.

2. Элементарные частицы и античастицы всегда возникают и исчезают только лишь парами: электрон и позитрон, протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон, фотон и антифотон, и т.д. Ни одна частица не может существовать без своей противоположности.

3. Объективное существование элементарных электроантичастиц подтверждено экспериментально. Однако элементарные античастицы, образованные из отрицательной энергии, по самой сути своей не могут быть обнаружены вещественными приборами, обладающими положительной массой покоя. Этот пример является блестящим подтверждением того факта, что не всякую реальность можно зарегистрировать приборами.

Что может атеизм противопоставить достижениям современной науки, кроме своих собственных желаний и иллюзий?

"Научный" атеизм и "диалектический" материализм научным фактам в данном вопросе может противопоставлять только лишь игру слов следующего содержания: "Если антиматерия даже и существует, то она является всего лишь разновидностью материи, а не ее противоположностью". Такого рода игра слов является всего лишь словесной тарабарщиной, а не наукой. Тем не менее с ее помощью атеизму удается увести от истины сотни миллионов неискушенных и доверчивых людей.

Если энергоантивещество и отрицательная энергия являются всего лишь разновидностью материи, то как их можно называть антиматерией? Если все же мы называем их антиматерией (т.е. противоположностью материи, а не самой материей), то как можно поверить в атеистическую догму о том, что якобы "в мире нету ничего, кроме движущейся материи"? Однако от названия и словесной тарабарщины истина не меняется. "Диалектический" материализм торжественно провозглашает, что ничто в мире не может существовать и развиваться без своей противоположности. Если материализм отрицает существование отрицательной противоположности положительной энергии, то тем самым он перестает быть диалектическим, а "научный" атеизм перестает быть научным.

Чтобы остаться в рамках диалектики и науки, материализм и атеизм обязаны признать объективное существование отрицательной энергии, как бы они ее ни называли.

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.

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.

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:

Обратите внимание на то, какая крутая штука только что произошла: мы начали с массивных частиц, каждая из которых не двигалась, и не обладала энергией движения, зато обладала энергией массы M c 2 . А закончили с двумя безмассовыми частицами, без энергии массы, но с энергией движения, равной энергией массы мюонов:
M c 2 . См. рис. 1.

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.

Ситуация немного другая: мы начали с массивных неподвижных частиц, не имеющих энергии движения и обладающих энергией массы M c 2 . А закончили с двумя массивными частицами, у каждой из которых энергия массы m c 2 и много энергии движения, причём общая энергия электрона равна энергии массы мюона M c 2 . Опять-таки импульс электрона взаимно уничтожается с импульсом позитрона:

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:

Но это невозможно! Мюон обладает энергией массы M c 2 , плюс положительной энергией движения. M > m. Получается противоречие:

m c^2 $" data-tex="display"/>

Энергия мюона не может равняться m c 2 , как того требует сохранение энергии, поскольку M > m. Приходится признать, что этот процесс не может произойти.

Рис. 4

Однако именно то, почему эта попытка не срабатывает, и говорит нам, как можно достичь желаемого. Не нужно рассматривать покоящиеся электрон и позитрон. Давайте их ускорим – почти до скорости света, чтобы их энергии движения стали очень большими, и общие энергии (энергия массы и энергия движения) были ощутимо больше, чем m c 2 . Для простоты представим, что их начальная энергия стала равна M c 2 . Тогда общая начальная энергия в коробке будет 2 M c 2 , и для того, чтобы процесс пошёл, закон сохранения требует:

Что уже не противоречит требованиям предыдущего уравнения

m c^2 $" data-tex="display"/>

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.

Гипотеза об античастице впервые возникла в 1928 г., когда П. Дирак на основе релятивистского волнового уравнения предсказал существование позитрона (см. § 263), обнаруженного спустя четыре года К. Андерсоном в составе космического излучения.

Электрон и позитрон не являются единственной парой частица — античастица. На основе релятивистской квантовой теории пришли к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица (принцип зарядового сопряжения). Эксперименты показывают, что за немногим исключением (например, фотона и p 0 -мезона), действительно, каждой частице соответствует античастица.

Из общих положений квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды (и магнитные моменты), одинаковые спины и изотопические спины, а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам для описания закономерностей их взаимодействия (лептонное число (см. § 275), барионное число (см. § 275), странность (см. § 274), очарование (см. § 275) и т.д.). До 1956 г. считалось, что имеется полная симметрия между частицами и античастицами, т. е. если какой-то процесс идет между частицами, то должен существовать точно такой же (с теми же характеристиками) процесс между античастицами. Однако в 1956 г. доказано, что подобная симметрия характерна только для сильного и электромагнитного взаимодействий и нарушается для слабого.

Согласно теории Дирака, столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны. Примером тому является рассмотренная реакция (263.3) аннигиляции пары электрон — позитрон (_-1 0 е + ₊₁ 0 е ® 2g).

После того как предсказанное теоретически существование позитрона было подтверждено экспериментально, возник вопрос о существовании антипротона и антинейтрона. Расчеты показывают, что для создания пары частица — античастица надо затратить энергию, превышающую удвоенную энергию покоя пары, поскольку частицам необходимо сообщить весьма значительную кинетическую энергию. Для создания р - р̃-пары необходима энергия примерно 4,4 ГэВ. Антипротон был действительно обнаружен экспериментально (1955) при рассеянии протонов (ускоренных на крупней ем в то время синхрофазотроне Калифорнийского университета) на нуклонах ядер мишени (мишенью служила медь), в результате которого рождалась пара р - р̃.

Антипротон отличается от протона знаками электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и с нейтроном:

Годом позже (1956) на том же ускорителе удалось получить антинейтрон (ñ) и осуществить его аннигиляцию. Антинейтроны возникали в результате перезарядки антипротонов при их движении через вещество. Реакция перезарядки р̃состоит в об мене зарядов между нуклоном и антинуклоном и может протекать по схемам

Антинейтрон ñ отличается от нейтрона nзнаком собственного магнитного момента. Если антипротоны — стабильные частицы, то свободный антинейтрон, если он не испытывает аннигиляции, в конце концов претерпевает распад по схеме

Античастицы были найдены также для p + -мезона, каонов и гиперонов (см. § 274). Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют, — это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, p°-мезон и η-мезон (его масса равна 1074m_e, время жизни 7×10 -19 с; распадается с образованием p-мезонов и γ-квантов). Истинно нейтральные частицы не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементарных частиц. Можно сказать, что каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей.

Большой интерес и серьезные трудности представляли доказательство существования антинейтрино и ответ на вопрос, являются ли нейтрино и антинейтрино тождественными или различными частицами. Используя мощные потоки антинейтрино, получаемые в реакторах (осколки деления тяжелых ядер испытывают β-распад и, согласно (258.1), испускают антинейтрино), американские физики Ф. Рейнес и К. Коуэн (1956) надежно зафиксировали реакцию захвата электронного антинейтрино протоном:

Аналогично зафиксирована реакция захвата электронного нейтрино нейтроном:

Таким образом, реакции (273.6) и (273.7) явились, с одной стороны, бесспорным доказательством того, что v_e и ṽ_e, — реальные частицы, а не фиктивные понятия, введенные лишь для объяснения β-распада, а с другой — подтвердили вывод о том, что v_e и ṽ_e — различные частицы.

В дальнейшем эксперименты по рождению и поглощению мюонных нейтрино показали, что и v_m и ṽ_m — различные частицы. Также доказано, что пара v_e, v_m — различные частицы, а пара v_e, ṽ_e не тождественна паре v_m, ṽ_m Согласно идее Б. М. Понтекорво (см. § 271), осуществлялась реакция захвата мюонного нейтрино (получались при распаде p + ®m + + v_m (271.1)) нейтронами и наблюдались возникающие частицы. Оказалось, что реакция (273.7) не идет, а захват происходит по схеме

т. е. вместо электронов в реакции рождались m - -мюоны. Это и подтверждало различие между v_eи v_m

По современным представлениям, нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга одной из квантовых характеристик состояния элементарной частицы — спнральностью, определяемой как проекция спина частицы на направление ее движения (на импульс). Для объяснения экспериментальных данных предполагают, что у нейтрино спин s ориентирован антипараллельно импульсу р, т. е. направления р и s образуют левый винт и нейтрино обладает левой спиралытостью (рис. 349, а). У антинейтрино направления р и s образуют правый винт, т. е. антинейтрино обладает правой спнральностью (рис. 349, б). Это свойство справедливо в равной мере как для электронного, так и для мюонного нейтрино (антинейтрино).

Для того чтобы спиральность могла быть использована в качестве характеристики нейтрино (антинейтрино), масса нейтрино должна приниматься равной нулю. Введение спиральности позволило объяснить, например, нарушение закона сохранения четности (см. § 274) при слабых взаимодействиях, вызывающих распад элементарных частиц и β-распад. Так, m - -мюону приписывают правую спиральность, m + -мюону — левую.

После открытия столь большого числа античастиц возникла новая задача — найти антиядра, иными словами, доказать существование антивещества, которое построено из античастиц, так же как вещество из частиц. Антиядра действительно были обнаружены. Первое антиядро — антидейтрон (связанное состояние р̃ и ñ — было получено в 1965 г. группой американских физиков под руководством Л. Ледермана. Впоследствии на Серпуховском ускорителе были синтезированы ядра антигелия (1970) и антитрития (1973).

Следует, однако, отметить, что возможность аннигиляции при встрече с частицами не позволяет античастицам длительное время существовать среди частиц. Поэтому для устойчивого состояния антивещества оно должно быть от вещества изолировано. Если бы вблизи известной нам части Вселенной существоволо скопление антивещества, то должно было бы наблюдаться мощное аннигиляционное излучение (взрывы с выделением огромных количеств энергии). Однако пока астрофизики ничего подобного не зарегистрировали. Исследования, проводимые для поиска антиядер (в конечном счете антиматерии), и достигнутые в этом направлении первые успехи имеют фундаментальное значение для дальнейшего познания строения вещества.

Аналогично зафиксирована реакция захвата электронного нейтрино нейтроном:

т. е. вместо электронов в реакции рождались m - -мюоны. Это и подтверждало различие между v_eи v_m

На этом уроке мы узнаем историю открытия и классификацию элементарных частиц. Также мы рассмотрим величины, характеризующие их, обсудим четыре фундаментальных взаимодействия. В конце урока мы узнаем, что такое кварки, какие они бывают и как обозначаются, а также подсчитаем общее количество фундаментальных элементарных частиц, известных на данный момент.

Читайте также: