Античастицы. Физики: протон и антипротон полностью идентичны друг другу

Физики из CERN в ходе экспериментов получили максимально точные свидетельства того, что все физические свойства протона и его античастицы могут быть абсолютно идентичны друг другу. Хотя речь идет исключительно об одной паре частиц, дискуссии о вопросе ассиметричности материи во Вселенной разгорелись с новой силой.

Осуществив 13 тысяч столкновений при высоких энергиях и обобщив все данные, мы обнаружили, что соотношения массы и заряда для протона и антипротона, а также их прочие физические характеристики равны друг другу с погрешностью, равной 69 частям на триллион. Таковая точность измерений может показаться фантастической, но она всего в 4 раза выше прежних измерений. И все же мы в очередной раз ограничили вероятность того, что нарушение симметричности законов природы имеет место.

Напомним, протон - это элементарная частица, самостоятельно или вместе с нейтроном составляющая основу всех без исключения атомных ядер. Протон относится к барионам, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, и участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. Антипротон же, по всей видимости, отличается только противоположным зарядом.

Считается, что Большой взрыв должен породить равное количество материи и антиматерии, частицы которой аннигилируют, соприкасаясь друг с другом. Следовательно все вещество должно было буквально уничтожить само себя в первые же моменты жизни Вселенной. Однако то, что мы наблюдаем сегодня кардинальном образом отличается от такой модели: мы наблюдаем значительную ассиметричность материи, т.е. преобладание материи над антиматерией. Возникает логичный вопрос: Куда подевалась последняя и почему Вселенная существует до сих пор?

Согласно Стандартной модели, которая наиболее полно и точно описывает микромир из существующих физических теорий, все физические и химические свойства, кроме заряда, частиц и их античастиц должны полностью совпадать. В то же время основная идея наиболее вразумительной теории, объясняющей наблюдаемую ассиметрию, заключается в том, что у пары частица-античастица существуют какие-либо различия, возможно, незначительные, но достаточные для того, чтобы не произошла аннигиляция при их соприкосновении. На протяжении последних нескольких лет физики нашли несколько возможных намеков, что такие различия все же существуют.

Впрочем, результаты работы г-н Ульмера и его коллег из коллаборации BASE фактически ставят крест на подобных предположениях: достигнутая точность их измерений слишком высока. Окончательно разобраться с этим вопросом команда планирует в обозримом будущем, повысив точность измерений до 100 раз, что должно позволить либо безповоротно подтвердить имеющиеся на данный момент заключения либо же найти отличия в особенностях частиц и их противоположно заряженных «близнецов».

Более подробный отчет о работе физиков можно найти в издании Nature.

По отношению к протону. Масса и спин А. такие же, как у протона, барионное число B = -1 Электрич. заряд (и магн. момент) А. отрицателен и равен по абс. величине электрич. заряду (магн. моменту) протона.

А. был впервые обнаружен экспериментально в 1955 О. Чемберленом (О. Chamberlain), Э. Сегре (E. Segre), К. Вигандом (С. Wiegand) и T. Ипсилантисом (T. Ypsilantis) в Беркли (США) на ускорителе протонов с макс. энергией 6,3 ГэВ. Вследствие сохранения барионного числа рождение А. должно сопровождаться рождением протона, поэтому для рождения А. необходимо, чтобы суммарная кинетич. энергия сталкивающихся частиц в системе центра масс превышала пары протон-А. Это условие выполнялось на ускорителе в Беркли для соударения протонов с ядрами мишени. Опыт был поставлен след. образом. Пучок протонов из ускорителя падал на медную мишень, в к-рой в результате взаимодействия протонов с ядрами меди рождались разл. частицы. Магниты отбирали отрицательно заряженные частицы (преим. -мезоны), отклоняя их в направлении черенковских счётчиков, измерявших скорость частиц. Отождествление частицы с А. проводилось по величине её массы, к-рая определялась из соотношения между импульсом (измеряемым по отклонению в магн. поле) и скоростью частицы. В опыте рождалось неск. А. на 10 11 столкновений протонов с мишенью.

В отсутствие вещества А., как и протон, с очень высокой степенью точности стабилен. В веществе "время жизни" медленного А. определяется скоростью его аннигиляции .

Кулоновское взаимодействие между А. и ядрами может вызывать образование антипротонных атомов - связанных водородоподобных систем (см. Адронные атомы ). На малых расстояниях между А. и нуклоном действуют притяжения, к-рые могут приводить к образованию связанной системы А.- нуклон (бариония ).В результате сильного (ядерного) взаимодействия между А. и антинуклонами могут образовываться ядра антивещества , а в результате эл--магн. (кулоновского) взаимодействия между А. и позитроном - атомы антиводорода.

К сер. 80-х гг. на ускорителях получают пучки А. высоких энергий, вплоть до 270 ГэВ (в столкновениях протонов высоких энергий с ядрами выход %). Результаты исследования взаимодействия таких А. с нуклонами показывают, что с ростом энергии А. его с нуклонами становится всё менее вероятной, а полное сечение -взаимодействия (в согласии с Померанчука теоремой )всё более сближается с сечением pN-взаимодействия.

Согласно кварковой модели (см. Кварки ),А. состоит из трёх конституентных антикварков: двух -кварков и одного -кварка.

Рождение пар протон-А. наблюдается не только в столкновениях адронов, но и в столкновениях встречных и позитронов с энергиями выше 1 ГэВ. Экспериментально установлено, что относит. вероятность рождения А. растёт с ростом энергии пучков и при энергии ок. 30 ГэВ составляет неск. десятков процентов. Столь большая вероятность может быть объяснена фрагментацией в адроны жёстких глюонов , вероятность рождения к-рых с ростом энергии увеличивается.

Длительное существование А. возможно только при низкой нуклонов - в накопителях заряж. частиц, а также в космич. пространстве.

Наблюдение А. в космич. лучах указывает на наличие космических источников А. Таким источником может быть взаимодействие высокоэнергичных частиц космич. лучей с межзвёздным веществом. А. могут также рождаться, напр., в оболочке пульсара при взаимодействии с её веществом высокоэнергичных частиц, ускоряемых магн. полем пульсара, а также в окрестности активного ядра Галактики. В связи с превышением наблюдаемого потока космич. А. (особенно в области энергий <1 ГэВ) над ожидаемым от естеств. источников обсуждались такие возможные механизмы рождения А., как испарение первичных чёрных дыр, рождение А. в распадах или при аннигиляции гипотетич. тяжёлых метастабильных частиц (напр., гравитино, фотино) , предсказываемых нек-рыми моделями

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!

Хотя вышеописанный пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание - проверка» в рамках научного метода, описанного во Введении , 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.

См. также: